Greške i kvarovi solarnog PV modula

Izvor: ee.co.za

Moderna solarna PV oprema dizajnirana je za pouzdan rad tijekom cijelog životnog vijeka proizvoda. Usprkos ovoj proizvodnji i dalje se pojavljuju nedostaci i prerani kvarovi, koji mogu utjecati 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 unijeti nedostatke u proizvodu, a instalacija na terenu i transport mogu rezultirati štetama, a sve to može skratiti životni vijek proizvoda.

Jedan od glavnih čimbenika smanjenja troškova fotonaponskih sustava je povećanje pouzdanosti i radnog vijeka PV modula. Današnja statistika pokazuje stope degradacije nazivne snage za kristalni silicijski PV modul 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. Uz to, postoje dokazi da su se neki proizvođači preusmjerili na korištenje niže kvalitete materijala za snižavanje cijena.

Preuranjeni neuspjeh ploča može imati velike financijske posljedice za PV instalacije, jer je glavni životni ciklus kapital. Neuspjeh PV modula je učinak koji ili degradira snagu modula koja se ne vraća u normalnom radu ili stvara sigurnosni problem.

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

Obično kvarovi proizvoda dijele se u sljedeće tri kategorije:

• Dojenački neuspjesi

• Neuspjesi u srednjem životu

• 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, a nazivna snaga ispisana na etiketi 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 svjetlosti
PID: Potencijalno izazvana razgradnja
EVA: Etilen vinil acetat
J-kutija: Razvodna kutija

Pojava greške i kvara

Detaljne studije kvara u radu tijekom cijelog životnog vijeka ploča 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]. Provedeno je nekoliko simulacijskih studija s ubrzanim životnim vijekom, ali na ograničenom broju panela.

BP Solar izvijestio je o stopi neuspjeha od 0,13% tijekom osmogodišnjeg razdoblja za panele Solarex c-Si, a Sandia National Laboratories predviđa stopu neuspjeha 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.

Glavni nedostaci i kvarovi

Kvarovi 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

• Staklena baza

• Unutarnje ožičenje

• Okvir i okovi

• Amorfni slojevi u amorfnom PV-u

Greške u obliku vafla ili ćelija

Pogoršanje učinkovitosti ćelije normalno je tijekom životnog vijeka stanice i ne smatra se greškom ili neuspjehom ako brzina razgradnje ne pređe normalne granice. Većina grešaka u obliku vafla ili ćelija bit će pukotine rezanja i oštećenja priključaka i vodiča. Manje greške nastaju zbog oštećenja antirefleksnog premaza (ARC) i korozije stanica. Degradacija svjetlosti izazvana u amorfnim solarnim pločama je poznati učinak i ne mora se nužno smatrati neuspjehom. Moguća degradacija je novi fenomen koji se pojavio kao rezultat sve većih napona koji se koriste u PV sustavima.

Delaminacija premaza protiv refleksije

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

Pucanje stanica

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

Osobito tijekom proizvodnje, lemljenje izaziva velike napone u stanicama. Rukovanje i vibracije u transportu mogu potaknuti ili proširiti pukotine [4]. Konačno, modul na terenu doživljava mehanička opterećenja uslijed vjetra (pritisak i vibracije) i snijega (pritisak).

Mikro-pukotine mogu nastati ili pogoršati:

• Proizvodnja

• Prijevoz

• Montaža

• Stres u radu (toplinski 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 tijekom njegovog životnog vijeka. Konkretno, prisutnost 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 podložan je toplinskim i mehaničkim naponima, mogu se pojaviti pukotine. Ponavljani relativni pomak ispucalih dijelova stanice može rezultirati potpunim odvajanjem, što rezultira neaktivnim dijelovima ćelije. Za ovaj je poseban slučaj moguća jasna procjena gubitka energije. Za 60-ćelijski, 230 W PV modul gubitak dijelova stanice je prihvatljiv sve dok je izgubljeni dio manji od 8% površine ćelije [3].

Sl. 2: Puževi tragovi zbog mikro pukotina u stanicama [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 stanica i postupak ugradnje tijekom procesa proizvodnje uzrokuju pukotine u fotonaponskim ćelijama. Postupak žice solarnih ćelija ima posebno visok rizik od uvođenja pukotina [1].

Postoje tri različita izvora mikro-pukotina tijekom proizvodnje; svaki ima svoju vjerojatnost pojave:

• Pukotine koje počinju od međusobno povezane vrpce stanica uzrokovane su zaostalim naponom izazvanim postupkom lemljenja. Te se pukotine često nalaze na kraju ili početnoj točki priključka, jer postoji najveći zaostali napon. Ova vrsta pukotina je najčešća.

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

• Pukotine koje počinju od ruba ćelije uzrokovane su od udarca stanice na tvrdi predmet.

Nakon što su u solarnom modulu prisutne pukotine stanica, postoji povećani rizik da se tijekom rada solarnog modula kratke stanične pukotine mogu razviti u duže i šire. 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 stanice do ozbiljnijih utjecaja koji uključuju smanjenje struje kratkog spoja i djelotvornost ćelije. Vizualno se mikro pukotine mogu pojaviti u obliku takozvanih "puževih puževa" na staničnoj strukturi. Međutim, puževi - kao dugoročni udarni znak - mogu također biti rezultat kemijskog procesa koji uzrokuje promjenu površine stanice i / ili vruće točke.

Ovisno o obrascu pukotina većih pukotina, toplinski, mehanički stres i vlaga mogu dovesti do "mrtvih" ili "neaktivnih" dijelova ćelije što uzrokuje gubitak 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 stanicom [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 od očekivanog. Oni se razlikuju u veličini, položaju na ćeliji i kvaliteti udara.

U polju se mogu otkriti mikro pukotine prije instalacije i tijekom trajanja projekta. Postoje različite metode ispitivanja kvalitete kojima se identificiraju mikro pukotine od kojih je ispitivanje elektroluminescencije (EL) ili otkrivanje pukotina elektroluminescencije (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 redovitu inspekciju ugrađenih ploča tijekom 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 toplini, vlazi, UV zračenju i toplinskom biciklizmu

• Osigurajte dobro prianjanje

• Optički par stakla na ćelije

• Električno izolirati komponente

• Kontrolirajte, smanjite ili uklonite ulazak 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 prianjanja

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

Tipično, ako je prianjanje ugroženo zbog onečišćenja (npr. Nepravilnog čišćenja stakla) ili zbog okolišnih čimbenika, dogodit će se taloženje nakon čega slijedi ulazak vlage i korozija. Delaminacija na sučeljima unutar optičkog puta 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 i formiraju octenu kiselinu koja ubrzava proces korozije unutarnje komponente komponenata PV modula. To također može rezultirati postupkom starenja EVA-e i može napasti srebrne kontakte i utjecati na proizvodnju stanica. Za propusne pozadine ovo nije problem jer octena kiselina može izaći. Međutim, kod nepropusnih pozadinskih listova, ovaj kvar može uzrokovati znatne gubitke energije tijekom vremena.

Promjenjivanje u kapsuli

To će rezultirati nekim gubitkom mjenjača, a samim tim i smanjenom snagom. Očišćavanje boje nastaje izbjeljivanjem kisika, tako da središnji dio ćelije ostaje prozračan, a prozračna stražnja plahta ostaje vanjska. To se može dogoditi zbog lošeg umrežavanja i / ili aditiva u EVA formulaciji.

Sl. 4: Osvježena EVA [5].

Bez koncentracije potrebno je pet do deset godina da se promijeni boja i dulje se započne znatno smanjenje izlazne snage. Nije boja sam EVA, već dodaci u formulaciji. Ovaj kvar može spriječiti da svjetlost dopre do ploče [5].

delaminacije

Delaminacija je odvajanje inkapsulata od stakla ili ćelije. Delaminacija može biti između supstrata (stakla), supstrata (poleđine) i enkapsulansa ili između inkapsulansa i stanica. Do uklanjanja prednjeg stakla može doći zbog lošeg prianjanja EVA ili loših postupaka čišćenja stakla tijekom postupka izrade. Ovaj kvar može spriječiti da svjetlost dopre do ploče. Problem može postati ozbiljniji ako se vlaga akumulira u praznini i stvori kratke spojeve u blizini žica za lemljenje.

Delaminacija iz stanice najvjerojatnije je posljedica lošeg umrežavanja ili onečišćenja stanične površine. Taj kvar može biti ozbiljan, jer kada se u laminatu stvori mjehurić zraka, postoji mogućnost akumulacije vlage i kratkog spoja. Isparavanje iz umetka događa se ako se EVA nije dobro pridržavao umetka tijekom izrade.

Novi putevi i korozija koja slijedi nakon odlaženja smanjuju performanse modula, ali ne postavljaju automatski problem sigurnosti. Preklapanje stražnjeg sloja 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.

Neispravnosti stražnjeg lista

Pozadinska stranica modula služi za zaštitu elektronskih komponenti od izravnog izlaganja okolišu i za siguran rad u prisutnosti visokih jednosatnih 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, izravno izloženim okolišu, unutarnjim slojem PET-a, nakon čega slijedi sloj inkapsule. [1] ,

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

Ako se to dogodi zajedno s neuspjehom zaobilazne diode, cijeli napon u sustavu mogao bi biti prisutan u cijelom razmaku, 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 inkapsulata koji bi pružio 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 specifičnog stražnjeg 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 je znak osjetljivosti na UV zračenje koje se može ubrzati visokim temperaturama. Taj se kvar pojavljuje i kod nekih ploča zbog 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].

Vruće točke

Zagrijavanje vruće točke događa 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 stanica ili grupa stanica prisiljena je u obrnutu pristranost i mora rasipati snagu.

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

Ako je rasipanje energije dovoljno visoko ili je dovoljno lokalizirano, reverzno pristrana stanica može se pregrijati što rezultira topljenjem lemljenja i / ili silicija i pogoršanjem enkapsulata i potporne ploče [5].

Kvarovi na vrpci i spojevima

Solarne ćelije opremljene su s dva osnovna elementa, prednjim i stražnjim kontaktima, koji omogućuju isporuku struje u vanjski krug. Struju nose trake sabirnica koje su lemljene na prednje i stražnje kontakte. Neuspjeh vrpce za vrpce povezan je s gubitkom izlazne snage. Prekidi međusobnog povezivanja 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 stanica i stanicama s otvorenim krugom.

Kritični dio modula su spojne spojnice za lemljenje. Sastoje se od mnogo spojenih materijala, uključujući lemljenje, sabirnicu, vrpcu i silikonski rez. Ovi materijali posjeduju različita toplinska i mehanička svojstva. Pri lijepljenju, sklop razvija poteškoće s termo-mehaničkom pouzdanošću koje su uzrokovane razlikama u koeficijentu toplinskog širenja vezanih materijala. Lemljenje osigurava vezu između elektrode i vrpce.

Temperatura PV modula varira ovisno o lokalnom vremenu što zauzvrat utječe na brzinu propadanja povezivanja lemljenja. U analizi modeliranja predviđanja za životnu vijest objavljeno je da je za isti tip c-Si PV modula smještenih u različitim vremenskim uvjetima životni vijek bio najkraći u pustinji, a slijedi ga život u tropima.

Iako primjena postupka lemljenja u sastavljanju solarnih ćelija u PV modulima ima prednost pri dobivanju proizvoda koji posjeduju visoku pouzdanost uz minimalne troškove proizvodnje, tehnologija se pojavljuje na visokoj temperaturi s inherentnim potencijalom za stvaranje napona smicanja u silikonskoj pločici. Neuspjeh i degradacija spojnica uzrokuje porast serijskog otpora, što dovodi do gubitka snage.

Životni vijek 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, temperaturne vožnje, UV zračenja i drugih čimbenika [5]. Rezultati ispitnih programa koje je proveo Kohl prikazani su na slici 7 [7].

Sl. 7: Ispitivanja ubrzanog starenja 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 bila su tipična. Danas gotovo svi proizvođači nude jamstva od 20 do 25 godina. Ali 25-godišnje jamstvo ne znači da je projekt zaštićen. Treba postaviti sljedeća pitanja:

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

• Da li dobavljač financira 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 već 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 izvješća, IEA-PVPS, ožujak 2014.
[2] Dupont: „ Vodič za razumijevanje oštećenja solarne ploče: od izrade do polja polja“, www.dupont.com
[3] M Kontges i suradnici: " Statistika pukotina kristalnih fotonaponskih modula ", 26. europska konferencija i izložba fotonaponske solarne energije, 2011.
[4] E Fitz: „ Dnočni učinak pouzdanosti PV modula “, Svijet obnovljive energije, ožujak 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 kristalnog silicijuma solarnih ćelija “, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl i suradnici: PV pouzdanost (klaster II): Rezultati njemačkog četverogodišnjeg zajedničkog projekta - Dio I, rezultati ubrzanih testova starenja i modeliranje degradacije, 25. EU-PVSEC, 2010.