Poruchy a poruchy solárneho PV modulu

Zdroj: ee.co.za

Moderné solárne fotovoltaické zariadenia sú navrhnuté pre spoľahlivú prevádzku po celú dobu životnosti produktu. Napriek týmto výrobným nedostatkom a predčasným poruchám stále dochádza, ktoré môžu ovplyvniť výkonnosť výrobku.

Spoľahlivosť a kvalita sú navrhnuté a zabudované do moderných solárnych fotovoltaických zariadení. Techniky hromadnej výroby, aj keď sú kontrolované a zlá kontrola kvality, môžu stále viesť k výrobným chybám vo výrobku a inštalácia v teréne, ako aj preprava môžu viesť k poškodeniu, čo môže skrátiť životnosť výrobkov.

Jedným z kľúčových faktorov znižovania nákladov na fotovoltaické systémy je zvýšenie spoľahlivosti a životnosti fotovoltaických modulov. Dnešná štatistika ukazuje mieru degradácie menovitého výkonu pre fotovoltické kremíkové fotovoltické moduly 0,8% / rok [1]. Hoci moderné výrobky sú navrhnuté tak, aby využívali kvalitnejšie materiály a mechanizovanú výrobu, cenová konkurencia viedla k tomu, že pri výrobe panelov sa používa tenší a menej materiálu. Okrem toho existujú dôkazy, že niektorí výrobcovia sa vrátili k používaniu materiálov nižšej kvality za nižšie ceny.

Predčasné zlyhanie panelov môže mať veľký finančný vplyv na fotovoltaické zariadenia, pretože hlavnou životnou cenou je kapitál. Porucha FV modulu je efekt, ktorý buď zníži výkon modulu, ktorý sa pri normálnej prevádzke nezvráti, alebo vytvára problém s bezpečnosťou.

Čisto kozmetický problém, ktorý nemá ani jeden z týchto dôsledkov, sa nepovažuje za zlyhanie PV modulu. Porucha FV modulu je relevantná pre záruku, keď nastane za podmienok, za ktorých sa modul bežne vyskytuje [1].

Poruchy produktov sa zvyčajne delia na tieto tri kategórie:

• Dojčenské poruchy

• Poruchy na polovici života

• Poruchy opotrebenia

Obrázok 1 zobrazuje príklady týchto troch typov porúch pre PV moduly. Okrem týchto porúch modulov mnoho fotovoltických modulov vykazuje okamžité zníženie výkonu (LID) vyvolané svetlom ihneď po inštalácii. LID je typ poruchy, ktorý sa vyskytne, a menovitý výkon vytlačený na štítku PV modulu sa zvyčajne upravuje očakávanou štandardizovanou stratou nasýteného výkonu v dôsledku tejto poruchy.

Obr. 1: Tri typické scenáre zlyhania kryštalických fotovoltaických modulov na báze oblátok [1].

LID: Svetlom indukovaná degradácia
PID: Potenciálne vyvolaná degradácia
EVA: Etylénvinylacetát
J-box: Junction box

Porucha a výskyt poruchy

Podrobné štúdie zlyhania v prevádzke počas celej životnosti panelov nie sú k dispozícii, pretože väčšina inštalácií je najnovšia a dodávatelia sa zdráhajú tieto údaje zverejňovať. V správach o štúdiách úmrtnosti dojčiat, tj o zlyhaní pri inštalácii, sa uvádzajú čísla medzi 1 a 2% všetkých nainštalovaných panelov [3]. Uskutočnilo sa niekoľko simulačných štúdií so zrýchlenými životnosťami, ale na obmedzenom počte panelov.

Spoločnosť BP Solar nahlásila mieru zlyhania 0,13% za osemročné obdobie panelov Solarex c-Si a spoločnosť Sandia National Laboratories predpovedala mieru zlyhania 0,05% ročne na základe údajov z terénu [4]. Ide však o krátkodobé údaje o skorej životnosti a nie sú k dispozícii žiadne údaje o zlyhaniach pri neskorej životnosti pre veľké inštalácie.

Hlavné chyby a poruchy

Poruchy možno rozdeliť na typy porúch súvisiace s výkonom a bezpečnosťou. Poruchy súvisiace s bezpečnosťou môžu viesť k poškodeniu majetku alebo zraneniu personálu. Poruchy týkajúce sa výkonu majú za následok stratu alebo pokles výstupného výkonu.

Poruchy sa vyskytujú v týchto oblastiach:

• Oblátky alebo bunky v kryštalických výrobkoch z PV

• Zapuzdrenie

• Sklenený podstavec

• Interné zapojenie

• Rám a príslušenstvo

• Amorfné vrstvy v amorfnej PV

Poruchy oblátok alebo buniek

Zhoršenie účinnosti bunky je normálne počas životnosti bunky a nepovažuje sa za chybu alebo zlyhanie, pokiaľ rýchlosť degradácie nepresiahne normálne limity. Väčšina chýb doštičiek alebo doštičiek bude praskanie doštičky a poškodenie spojov a vodičov. Menšie poruchy vznikajú v dôsledku poškodenia antireflexným povlakom (ARC) a korózie buniek. Degradácia svetla v amorfných solárnych paneloch je známym javom a nemusí sa nevyhnutne považovať za poruchu. Potenciálne vyvolaná degradácia je nový fenomén, ktorý sa objavil v dôsledku stále väčšieho napätia použitého vo FV systémoch.

Delaminácia antireflexného povlaku

Antireflexný povlak (ARC) zvyšuje zachytávanie svetla, a preto zvyšuje premenu energie modulu. K delaminácii ARC dochádza, keď antireflexný povlak vychádza zo silikónového povrchu bunky. Toto nie je závažná chyba, pokiaľ nedôjde k veľkému delaminácii [2]. Výskum ukázal, že vlastnosti ARC sú príčinným faktorom PID.

Praskanie buniek

Trhliny vo FV moduloch sú všadeprítomné. Môžu sa vyvíjať v rôznych fázach životnosti modulu.

Najmä počas výroby spájkovanie indukuje vysoké napätie v bunkách. Manipulácia a vibrácie v doprave môžu spôsobiť alebo rozšíriť praskliny [4]. Nakoniec modul v teréne zažije mechanické zaťaženie v dôsledku vetra (tlak a vibrácie) a snehu (tlak).

Mikrotrhliny môžu byť spôsobené alebo zhoršené:

• Výroba

• doprava

• inštalácia

• Prevádzkové napätie (tepelné a iné)

Kryštalické oblátky sa v priebehu rokov zväčšovali a ich hrúbka sa zmenšovala, čím sa zvyšovalo riziko ich rozbitia a praskania. Trhliny v solárnych článkoch sú skutočným problémom fotovoltických modulov, pretože je ťažké sa im vyhnúť a doteraz je v podstate nemožné ich kvantifikovať ich vplyv na účinnosť modulu počas jeho životnosti. Najmä prítomnosť mikrotrhlín môže mať len okrajový vplyv na výkon nového modulu, pokiaľ sú rôzne časti buniek stále elektricky spojené.

Keď modul starne a je vystavený tepelnému a mechanickému namáhaniu, môžu sa zaviesť trhliny. Opakovaný relatívny pohyb prasknutých častí buniek môže viesť k úplnej separácii, čo vedie k neaktívnym častiam buniek. V tomto osobitnom prípade je možné jasné vyhodnotenie straty energie. V prípade 60-článkového, 230 W PV modulu je strata bunkových častí prijateľná, pokiaľ je stratená časť menšia ako 8% plochy bunky [3].

Obr. 2: Stopy slimákov v dôsledku mikrotrhlín v bunkách [1].

Mikrotrhliny sú trhliny v kremíkovom substráte PV buniek, ktoré často nie je možné vidieť voľným okom. V solárnom článku sa môžu tvoriť praskliny v rôznych dĺžkach a orientáciách. Krájanie oblátok, reťazenie výroby buniek a proces vkladania počas výrobného procesu spôsobujú praskliny buniek vo fotovoltaických článkoch. Reťazec solárnych článkov má obzvlášť vysoké riziko, že spôsobí praskliny [1].

Počas výroby existujú tri rôzne zdroje mikrotrhlín; každý má svoju vlastnú pravdepodobnosť výskytu:

• Praskliny začínajúce z pásika na prepájanie buniek sú spôsobené zvyškovým napätím vyvolaným procesom spájkovania. Tieto praskliny sa často nachádzajú na konci alebo v počiatočnom bode konektora, pretože existuje najvyššie zvyškové napätie. Tento typ trhliny je najčastejší.

• Takzvaná priečna trhlina, ktorá je spôsobená pritláčaním strojového zariadenia na doštičku počas výroby.

• Praskliny začínajúce od okraja bunky sú spôsobené nárazom bunky na pevný predmet.

Keď sú v solárnom module prítomné trhliny, existuje zvýšené riziko, že sa počas prevádzky solárneho modulu môžu trhliny krátkeho článku vyvinúť na dlhšie a širšie trhliny. Je to spôsobené mechanickým namáhaním spôsobeným zaťažením vetrom alebo snehom a tepelným mechanickým namáhaním solárnych modulov v dôsledku kolísania teploty spôsobeného prechádzajúcimi mrakmi a zmenami počasia.

Mikrotrhliny môžu mať rôzny pôvod a môžu viesť k skôr „mäkkým“ výsledkom, ako je roztrieštenie častí postihnutej bunky, ktoré vedie k zníženiu výnosov, až po závažnejšie vplyvy, ktoré zahŕňajú zníženie skratového prúdu a účinnosť bunky. Z vizuálneho hľadiska sa na bunkovej štruktúre môžu objaviť mikrotrhliny vo forme tzv. „Slimákov“. Zjazdovky slimákov - ako znak dlhodobého nárazu - však môžu byť tiež výsledkom chemického procesu spôsobujúceho zmenu povrchu bunky a / alebo horúcich miest.

V závislosti od typu trhlín väčších trhlín môže tepelné, mechanické napätie a vlhkosť viesť k „mŕtvym“ alebo „neaktívnym“ častiam článku, ktoré spôsobujú stratu výkonu z postihnutého fotovoltaického článku. Mŕtva alebo neaktívna časť článku znamená, že táto konkrétna časť fotovoltaického článku už neprispieva k celkovému výstupnému výkonu solárneho modulu. Ak je táto mŕtvy alebo neaktívna časť fotovoltaického článku väčšia ako 8% celkovej plochy článku, povedie to k strate výkonu približne lineárne stúpajúcej s neaktívnou oblasťou článku [1].

Trhliny potenciálne rastú v priebehu dlhšieho prevádzkového času, a tak rozširujú svoj škodlivý vplyv na funkčnosť a výkon fotovoltaického modulu, čo môže tiež spôsobiť horúce miesta. Nezistené, mikrotrhliny môžu mať za následok kratšiu životnosť poľa, ako sa očakávalo. Líšia sa veľkosťou, umiestnením na bunke a kvalitou dopadu.

Mikrotrhliny môžu byť zistené v teréne pred inštaláciou a počas životnosti projektu. Existujú rôzne metódy testovania kvality na identifikáciu mikrotrhlín, z ktorých je jednou z najpoužívanejších metód testovanie elektroluminiscencie (EL) alebo detekcia elektroluminiscenčných trhlín (ELCD). Testovanie EL môže odhaliť skryté chyby, ktoré boli predtým nevysledovateľné inými testovacími metódami, ako je napríklad infračervené (IR) zobrazovanie pomocou termálnych kamier, charakteristika VA a testovanie bleskom [1]. Niektorí výrobcovia odporúčajú pravidelnú kontrolu nainštalovaných panelov počas celej životnosti [3].

Poruchy zapuzdrenia

Solárny panel je „sendvič“ zložený z rôznych vrstiev materiálov (obr. 3).

Obr. 3: Súčasti FV modulu [2].

Zapuzdrovacie materiály sa používajú na:

• Odolávajú teplu, vlhkosti, UV žiareniu a tepelným cyklom

• Poskytujú dobrú priľnavosť

• Opticky spájajte sklo s bunkami

• Elektricky izolujte komponenty

• Ovládajte, znižujte alebo eliminujte prenikanie vlhkosti

Najčastejšie používaným materiálom na enkapsuláciu je etalínvinylacetát (EVA). Porucha zapuzdrenia môže mať za následok zlyhanie alebo poškodenie FV modulu.

Zlyhanie priľnavosti

Adhézia medzi sklom, zapuzdrovacím prostriedkom, aktívnymi vrstvami a zadnými vrstvami môže byť narušená z mnohých dôvodov. Tenký film a iné typy technológie PV môžu tiež obsahovať priehľadný vodivý oxid (TCO) alebo podobnú vrstvu, ktorá sa môže delaminovať zo susednej sklenenej vrstvy.

Typicky, ak je adhézia narušená z dôvodu kontaminácie (napr. Nesprávnym čistením skla) alebo faktorov prostredia, dôjde k delaminácii, po ktorej bude nasledovať prienik vlhkosti a korózia. Delaminácia na rozhraniach v optickej ceste bude mať za následok optické odrazy (napr. Až 4%, stratu energie, na jednom rozhraní vzduch / polymér) a následnú stratu prúdu (energie) z modulov [1].

Výroba kyseliny octovej

EVA listy reagujú s vlhkosťou na kyselinu octovú, ktorá urýchľuje proces korózie vnútornej zložky komponentov PV modulu. Môže to byť tiež dôsledkom procesu starnutia EVA a môže napadnúť kontakty striebra a ovplyvniť produkciu buniek. Pre priepustné spodné listy to nie je problém, pretože kyselina octová môže unikať. Avšak v prípade nepriepustných spodných listov môže táto chyba spôsobiť časom značné straty energie.

Odfarbenie zapuzdrenia

To bude mať za následok určitú stratu prenosu, a teda aj zníženie výkonu. Sfarbenie je spôsobené bielením kyslíka, takže pri priedušnej spodnej fólii dochádza k vyblednutiu stredu buniek, zatiaľ čo vonkajšie krúžky zostávajú čisté. K tomu môže dôjsť v dôsledku slabého zosieťovania a / alebo prísad vo formulácii EVA.

Obr. 4: EVA sfarbená [5].

Bez sústredenia trvá päť až desať rokov, kým dôjde k odfarbeniu a dlhšie k výraznému zníženiu výstupného výkonu. Nie je to samotná EVA, ktorá mení farbu, ale prísady vo formulácii. Táto porucha môže zabrániť tomu, aby sa niektoré svetlo dostalo na panel [5].

delaminácia

Delaminácia je oddelenie enkapsulantu od skla alebo bunky. Delaminácia môže byť medzi superstrátom (sklo), substrátom (zadná vrstva) a zapuzdrením alebo medzi zapuzdrením a bunkami. Počas procesu výroby môže dôjsť k delaminácii z predného skla v dôsledku zlej adhézie EVA alebo zlých postupov pri čistení skla. Táto chyba môže zabrániť tomu, aby sa do panelu dostalo nejaké svetlo. Tento problém môže byť závažnejší, ak sa v dutine hromadí vlhkosť a vytvorí skraty v blízkosti spájkovacích drôtov.

Delaminácia z bunky je s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobená zlým zosieťovaním alebo kontamináciou povrchu bunky. Táto chyba môže byť vážna, pretože keď sa v lamináte vytvorí vzduchová bublina, existuje možnosť hromadenia vlhkosti a skratov. Delaminácia z vložky nastáva, ak EVA pri výrobe neprilepila dobre na vložku.

Nové dráhy a následná korózia po delaminácii znižujú výkon modulu, ale automaticky nepredstavujú problém s bezpečnosťou. Delaminácia zadnej vrstvy však môže umožniť expozíciu aktívnym elektrickým komponentom. Ak je modul skonštruovaný zo sklenených predných a zadných listov, môžu existovať ďalšie napätia zvyšujúce delamináciu a / alebo rozbitie skla.

Poruchy zadného listu

Zadný list modulu slúži na ochranu elektronických komponentov pred priamym vystavením životnému prostrediu a na zaistenie bezpečnej prevádzky za prítomnosti vysokého jednosmerného napätia. Zadné listy môžu byť zložené zo skla alebo polymérov a môžu obsahovať kovovú fóliu.

Obr. 5: Delaminácia (Rycroft).

Najčastejšie je zadná vrstva vyrobená z laminátovej štruktúry s vysoko stabilným polymérom odolným voči UV žiareniu, často z vonkajšej strany fluórpolyméru, priamo vystavenému životnému prostrediu, vnútornej vrstvy PET, po ktorej nasleduje enkapsulačná vrstva [1]. ,

Ak sa namiesto zadného listu použije zadné sklo, môže sa rozbiť. Ak je modul skonštruovaný ako tenkovrstvové zariadenie na zadnej strane (substrát CIGS), potom predstavuje to významné bezpečnostné riziko okrem značnej alebo pravdepodobnejšej úplnej straty energie pre tento modul. Môže byť malá medzera pozdĺž trhlín a určité napätie, ktoré je schopné vytvárať a udržiavať elektrický oblúk.

Ak k tomu dôjde v spojení so zlyhaním obtokovej diódy, celé medziobvodové napätie by mohlo byť prítomné cez medzeru, čím by sa vytvoril veľký a trvalý oblúk, ktorý by pravdepodobne roztopil sklo, čo by mohlo spôsobiť požiar. Ak by však sklenená spodná vrstva praskla v typickom kryštalickom Si module, stále by existovala vrstva zapuzdrenia, ktorá by zabezpečovala malú mieru elektrickej izolácie.

K delaminácii z EVA môže dôjsť v dôsledku zlej adhézie medzi EVA a zadnou vrstvou alebo ak je adhézna vrstva zadnej vrstvy poškodená vystavením UV žiareniu alebo zvýšením teploty.

Žltnutie na prednej strane je spôsobené degradáciou polyméru použitého na zvýšenie adhézie špecifického zadného listu k zapuzdreniu. Žltnutie je často spojené so zhoršujúcimi sa mechanickými vlastnosťami. Pri tejto chybe je pravdepodobné, že zadná vrstva by sa prípadne mohla delaminovať a / alebo prasknúť [3].

Žltnutie na strane vzduchu je znakom citlivosti na UV žiarenie, ktoré môže byť urýchlené vysokými teplotami. Táto chyba sa vyskytuje aj v niektorých spodných listoch v dôsledku tepelnej degradácie. Žltnutie je často spojené so zhoršujúcimi sa mechanickými vlastnosťami. Pri tejto chybe je pravdepodobné, že zadná vrstva by sa prípadne mohla delaminovať a / alebo prasknúť [3].

Horúce miesta

K zahrievaniu horúcich bodov dochádza v module, keď jeho prevádzkový prúd prekročí znížený skratový prúd (I _sc ) tienenej alebo chybnej bunky alebo skupiny článkov. Ak nastane taký stav, postihnutá bunka alebo skupina buniek je donútená k spätnému zaujatiu a musí rozptýliť energiu.

Obr. 6: Kryštalické kremíkové solárne články prepojené v sérii so stuhovacou stuhou [6].

Ak je rozptyl energie dostatočne vysoký alebo dostatočne lokalizovaný, môže sa spätne ovplyvnená bunka prehriať, čo má za následok roztavenie spájky a / alebo kremíka a zhoršenie zapuzdrenia a zadnej vrstvy [5].

Poruchy pásky a kĺbov

Solárne články sú vybavené dvoma základnými prvkami, predným a zadným kontaktom, ktoré umožňujú dodávku prúdu do externého obvodu. Prúd sa prenáša pomocou prúžkov na vlasy, ktoré sa spájajú na predný a zadný kontakt. Zlyhanie stuhy pásky je spojené so stratou výstupného výkonu. K prerušeniam spojenia dôjde v dôsledku tepelnej rozťažnosti a kontrakcie alebo opakovaného mechanického namáhania. Silnejšia stuha alebo zauzlenie v stuhe navyše prispievajú k prerušeniu prepojení a vedú k skratovaným bunkám a otvoreným bunkám.

Rozhodujúcou súčasťou modulu sú spájkované spoje. Pozostávajú z mnohých navzájom spojených materiálov vrátane spájky, prípojnice, pásky a kremíkovej doštičky. Tieto materiály majú rôzne tepelné a mechanické vlastnosti. Pri spájaní sa v zostave vyvinuli problémy s termomechanickou spoľahlivosťou, ktoré sú spôsobené rozdielmi v koeficiente tepelnej rozťažnosti spojovaných materiálov. Spájka poskytuje spojenie medzi elektródou a pásom.

Teplota FV modulu sa mení v závislosti od miestneho počasia, čo zasa ovplyvňuje rýchlosť degradácie spájkovaného spojenia. V analýze predikcie životnosti sa uviedlo, že pre rovnaký typ fotovoltaických modulov c-Si umiestnených v rôznych poveternostných podmienkach bola životnosť najkratšia v púšti, po ktorej nasledovali v trópoch.

Hoci použitie procesu spájkovania pri zostavovaní solárnych článkov vo FV moduloch má výhodu v tom, že poskytuje produkty, ktoré majú vysokú spoľahlivosť pri minimálnych výrobných nákladoch, technológia sa vyskytuje pri vysokej teplote s vlastným potenciálom vyvolať šmykové napätie v kremíkovej doštičke. Porucha a degradácia spájkovaných spojov spôsobuje zvýšenie sériového odporu, čo vedie k strate energie.

Životnosť modulu

Všetky vyššie uvedené poruchy prispievajú k degradácii a konečnému zlyhaniu FV panelov. FV moduly sú navrhnuté tak, aby vydržali 20 a viac rokov, a nové moduly sa podrobujú zrýchleným testovacím programom, ktoré simulujú účinky tepla, vlhkosti, teplotných cyklov, UV žiarenia a ďalších faktorov [5]. Výsledky testovacích programov uskutočňovaných Kohlom sú znázornené na obr. 7 [7].

Obr. 7: Zrýchlené skúšky starnutia komerčných modulov c-Si [7].

Normalizovaná úroveň výkonu 0,8 sa zvyčajne považuje za koniec životnosti PV panela. Z testovacích kriviek je zrejmé, že panely sa po tomto bode rýchlo zhoršujú.

Na začiatku 90. rokov boli typické desaťročné záruky. V súčasnosti takmer všetci výrobcovia poskytujú 20 až 25 ročné záruky. Záruka 25 rokov však neznamená, že je projekt chránený. Je potrebné položiť nasledujúce otázky:

• Bude mať dodávateľ modulu okolo 15 rokov, keď sa vyskytnú problémy?

• Financuje dodávateľ viazaný účet, aby zabezpečil, že ak bude preč, bude projekt chránený?

• Spolieha sa dodávateľ jednoducho na testy kvalifikácie podľa IEC, aby uplatnil nároky na dlhodobú životnosť?

• Ak je dodávateľ v prevádzke iba päť rokov, ako môže tvrdiť, že moduly vydržia 25 rokov?

Predĺženie záruk je sľubné, ale investor alebo developer musí spoločnosť, ktorá ju poskytuje, starostlivo preveriť [4].

Referencie

[1] IEA: „ Preskúmanie porúch fotovoltaických modulov “, externá záverečná správa úlohy 13, IEA-PVPS, marec 2014.
[2] Dupont: „ Sprievodca po porade so solárnymi panelmi: od výroby po moduly v teréne“, www.dupont.com.
[3] M. Kontges, a kol .: „ Štatistika trhlín kryštalických fotovoltaických modulov “, 26. európska konferencia a výstava fotovoltaickej slnečnej energie, 2011.
[4] E Fitz: „ Najspodnejší vplyv spoľahlivosti FV modulov “, Svet obnoviteľnej energie, marec 2011.
[5] J Wolgemuth a kol .: „ Poruchové režimy kryštalických Si modulov “, Workshop spoľahlivosti PV modulu 2010.
[6] M Zarmai: „ Prehľad technológií prepojenia pre vylepšenú montáž fotovoltaických modulov z kryštalických kremíkových solárnych článkov “, Applied Energy, 2015.
[7] M. Koehl a kol .: Spoľahlivosť PV (klaster II): Výsledky nemeckého štvorročného spoločného projektu - časť I, výsledky urýchlili testy starnutia a modelovanie degradácie, 25. EU-PVSEC, 2010.