Okvare in napake sončnega PV modula

Vir: ee.co.za

Sodobna sončna PV oprema je zasnovana za zanesljivo delovanje v celotni življenjski dobi izdelka. Kljub temu se še vedno pojavljajo pomanjkljivosti v proizvodnji in prezgodnje okvare, ki lahko vplivajo na delovanje izdelka.

Zanesljivost in kakovost sta zasnovana in vgrajena v sodobno fotonapetostno opremo. Kljub nadzorovani in slabi kakovosti nadzora množične proizvodnje lahko še vedno vnesejo napake v proizvodnjo, namestitev na terenu in transport pa lahko povzročijo škodo, kar lahko skrajša življenjsko dobo izdelkov.

Eden ključnih dejavnikov zmanjšanja stroškov fotovoltaičnih sistemov je povečanje zanesljivosti in življenjske dobe PV modulov. Današnja statistika kaže na stopnjo degradacije nazivne moči za PV kristalne silicijske PV module 0,8% na leto [1]. Čeprav so sodobni izdelki zasnovani tako, da uporabljajo bolj kakovostne materiale in mehanizirano proizvodnjo, je cenovna konkurenca povzročila, da se pri izdelavi plošč uporablja tanjša in manj materiala. Poleg tega obstajajo dokazi, da so se nekateri proizvajalci za znižanje cen obrnili na uporabo materialov slabše kakovosti.

Prezgodnja odpoved plošč ima lahko velike finančne posledice za fotonapetostne naprave, saj je glavni življenjski cikel kapital. Okvara PV modula je učinek, ki bodisi poslabša moč modula, ki ga običajni režim ne povrne, ali povzroči varnostno težavo.

Čisto kozmetično vprašanje, ki nima nobene od teh posledic, se ne šteje za napako PV modula. Okvara PV modula je pomembna za garancijo, kadar pride pod pogoji, ki jih običajno doživi modul [1].

Običajno napake izdelkov so razdeljene v naslednje tri kategorije:

• Dojenčki neuspehi

• Napake v srednji starosti

• Napake obrabe

Slika 1 prikazuje primere za te tri vrste okvar za PV module. Poleg teh okvar modulov, mnogi PV moduli po namestitvi pokažejo propad svetlobe (LID). LID je vrsta okvare, ki se tako ali tako pojavi, in nazivna moč, natisnjena na etiketi PV modula, se običajno prilagodi pričakovani standardizirani nasičeni izgubi energije zaradi te okvare.

Slika 1: Trije značilni scenariji odpovedi kristalnih fotovoltaičnih modulov na osnovi rezin [1].

LID: Razgradnja, ki jo povzroči svetloba
PID: Potencialno povzročena razgradnja
EVA: Etilen vinil acetat
J-box: Spojna škatla

Pojav napake in okvare

Podrobne študije odpovedi obratovanja v celotni življenjski dobi plošč niso na voljo, saj je večina naprav v zadnjem času, dobavitelji pa ne želijo objaviti takšnih številk. Poročila o študijah umrljivosti dojenčkov, tj. Okvare pri namestitvi, vsebujejo 1 do 2% vseh nameščenih plošč [3]. Izvedenih je bilo več simulacijskih študij s pospešenim življenjskim časom, vendar na omejenem številu panelov.

BP Solar je v osmih letih poročal o stopnji odpovedi 0,13% za plošče Solarex c-Si, Sandia National Laboratories pa je na podlagi podatkov s terena napovedala stopnjo odpovedi 0,05% na leto [4]. Vendar so to kratkoročni podatki o zgodnji življenjski dobi in ni podatkov o poznih življenjskih okvarah za večje naprave.

Večje napake in okvare

Napake lahko razdelimo na izvedbe in varnostne vrste napak. Napake zaradi varnosti lahko povzročijo materialno škodo ali poškodbe osebja. Napake v zvezi z zmogljivostmi povzročijo izgubo ali padec izhodne moči.

Napake se pojavijo na naslednjih področjih:

• Obloge ali celice v kristalnih PV izdelkih

• Zapiranje

• Podstavek iz stekla

• Notranje ožičenje

• Okvir in okovje

• Amorfne plasti v amorfnem PV

Napak na vafrih ali celicah

Poslabšanje učinkovitosti celice je normalno v celotni življenjski dobi celice in se ne šteje za napako ali okvaro, razen če stopnja razgradnje presega običajne meje. Večina napak na ploščah ali celicah bo pokanje rezin in poškodbe priključkov in vodnikov. Manjše napake nastanejo zaradi poškodb antirefleksne prevleke (ARC) in korozije celic. Degradacija svetlobe v amorfnih sončnih panelih je znan učinek in ni nujno, da je to okvara. Potencialno povzročena degradacija je nov pojav, ki se je pojavil kot posledica vedno večjih napetosti, ki se uporabljajo v PV sistemih.

Protirefleksno odstranjevanje prevleke

Protirefleksni premaz (ARC) poveča zajem svetlobe in s tem poveča pretvorbo moči modula. Delaminacija ARC se pojavi, ko proti refleksni prevleki odlepi s površine silicija celice. To ni resna napaka, razen če pride do velikega odlaganja [2]. Raziskave so pokazale, da so lastnosti ARC povzročitelj PID.

Pokanje celic

Razpoke v PV modulih so vseprisotne. Lahko se razvijejo v različnih fazah življenjske dobe modula.

Zlasti med proizvodnjo spajkanje povzroči visoke napetosti v celicah. Ravnanje in vibracije v transportu lahko sprožijo ali razširijo razpoke [4]. Končno modul na terenu doživi mehanske obremenitve zaradi vetra (tlaka in vibracij) in snega (pritisk).

Mikro razpoke lahko povzročijo ali poslabšajo:

• Izdelava

• Prevoz

• Namestitev

• Stres med obratovanjem (toplotni in drugače)

Kristalni rezin se je z leti povečeval in zmanjšal v debelino, kar je povečalo možnost loma in razpok. Razpoke na sončnih celicah so resnična težava za PV module, saj se jih je težko izogniti in do zdaj v bistvu nemogoče količinsko določiti njihovega vpliva na učinkovitost modula v njegovi življenjski dobi. Še posebej lahko prisotnost mikro razpok le malo vpliva na moč novega modula, če so različni deli celic še vedno električno povezani.

Ko modul ostaja in je izpostavljen toplotnim in mehanskim obremenitvam, se lahko uvedejo razpoke. Ponavljajoče se relativno gibanje razpokanih delov celic lahko povzroči popolno ločitev, kar povzroči neaktivne celične dele. V tem posebnem primeru je možna jasna ocena izgube energije. Za PV-modul s 60 celicami z 230 W je izguba delov celice sprejemljiva, dokler je izgubljeni del manjši od 8% površine celice [3].

Slika 2: Polževi sledovi zaradi mikro razpok v celicah [1].

Mikro razpoke so razpoke v silikonski podlagi podlage PV celic, ki jih pogosto ni mogoče videti s prostim očesom. V sončni celici se lahko tvorijo razpoke različnih dolžin in usmeritev. Rezanje rezin, struženje celic in postopek vdelave med proizvodnim procesom povzročijo celične razpoke v fotovoltaičnih celicah. Postopek struženja sončnih celic ima posebno veliko tveganje za uvedbo razpok [1].

Obstajajo trije različni viri mikro razpok med proizvodnjo; vsak ima svojo verjetnost pojava:

• Razpoke, ki se začnejo s trakom medsebojnega povezovanja celic, nastanejo zaradi preostale napetosti, ki jo povzroči postopek spajkanja. Te razpoke so pogosto nameščene na koncu ali izhodišču priključka, ker je največji preostali stres. Ta vrsta razpok je najpogostejša.

• Tako imenovana križna razpoka, ki nastane zaradi pritiska strojev na rezino med proizvodnjo.

• Razpoke, ki se začnejo od roba celice, povzroči, da celica trka na trdi predmet.

Ko so v sončnem modulu prisotne celične razpoke, obstaja povečana nevarnost, da se med delovanjem solarnega modula kratke celične razpoke razvijejo v daljše in širše razpoke. To je posledica mehanskih obremenitev, ki jih povzročajo obremenitve z vetrom ali snegom, in termo mehaničnih obremenitev na solarnih modulih zaradi temperaturnih nihanj, ki nastanejo zaradi minljivih oblakov in sprememb vremena.

Mikro razpoke imajo lahko različne poreze in imajo za posledico dokaj „mehke“ izide, kot so zmanjševanje donosa delov prizadete celice do močnejših vplivov, ki vključujejo zmanjšanje toka kratkega stika in učinkovitost celice. Vizualno se lahko pojavijo mikro razpoke v obliki tako imenovanih "poti polžev" na celični strukturi. Vendar pa so poti proti polžu - kot dolgoročni udarni znak - lahko tudi posledica kemičnega procesa, ki povzroči, da se površina celice spremeni in / ali vroča mesta.

Glede na vzorec razpok večjih razpok lahko toplotni, mehanski stres in vlaga privedejo do "mrtvih" ali "neaktivnih" delov celic, ki povzročijo izgubo izpuščene energije iz prizadete fotovoltaične celice. Mrtv ali neaktiven del celice pomeni, da ta določeni del fotovoltaične celice ne prispeva več k skupni izhodni moči solarnega modula. Če je ta mrtvi ali neaktivni del fotovoltaične celice večji od 8% celotne celice, bo to povzročilo izgubo energije, ki se približno linearno povečuje z neaktivnim območjem celice [1].

Razpoke potencialno rastejo v daljšem času delovanja in tako razširijo škodljiv vpliv na funkcionalnost in zmogljivost PV modula, kar lahko sproži tudi žarišča. Nezaznane, mikro razpoke lahko povzročijo krajšo življenjsko dobo od pričakovane. Razlikujejo se po velikosti, lokaciji na celici in kakovosti udarca.

Mikro razpoke lahko zaznamo na terenu pred namestitvijo in skozi celotno življenjsko dobo projekta. Obstajajo različne metode preskušanja kakovosti, s katerimi lahko prepoznamo mikro razpoke, pri katerih je testiranje elektroluminescence (EL) ali elektroluminescence razpok (ELCD) ena izmed najbolj uporabljenih metod. EL testiranje lahko odkrije skrite napake, ki jih prej ni bilo mogoče opaziti z drugimi preskusnimi metodami, na primer infrardečim (IR) slikanjem s termalnimi kamerami, VA značilnostmi in bliskavico [1]. Nekateri proizvajalci priporočajo redne preglede nameščenih plošč v celotni življenjski dobi [3].

Napake v kapsuli

Sončna plošča je "sendvič", sestavljen iz različnih plasti materialov (slika 3).

Slika 3: Sestavni deli PV modula [2].

Inkapsulirni materiali se uporabljajo za:

• Uprite se toploti, vlagi, UV sevanju in toplotnemu kolesarjenju

• Zagotovite dober oprijem

• Optično par stekla na celice

• Električno izolirajte sestavne dele

• Nadzirajte, zmanjšajte ali odpravite vdor vlage

Največ materiala co mmon, ki se uporablja za kapsulacijo, je etalin vinil acetat (EVA). Če okvara kapsule ne povzroči okvare ali poškodbe PV modula.

Odpoved adhezije

Oprijem med steklom, enkapsulantom, aktivnimi in zadnjimi sloji je lahko ogrožen iz več razlogov. Tankofilna in druge vrste PV-tehnologije lahko vsebujejo tudi prozoren prevodni oksid (TCO) ali podobno plast, ki se lahko plast iz sosednje steklene plasti.

Običajno, če je oprijem ogrožen zaradi onesnaženja (npr. Nepravilnega čiščenja stekla) ali okoljskih dejavnikov, bo prišlo do razpadanja, ki mu bo sledil vdor vlage in korozija. Določitev na vmesnikih v optični poti bo povzročila optični odboj (npr. Do 4%, izguba energije na enem samem vmesniku zrak / polimer) in poznejšo izgubo toka (moči) iz modulov [1].

Proizvodnja ocetne kisline

Listi EVA reagirajo z vlago in tvorijo ocetno kislino, ki pospeši korozijski postopek notranje komponente komponent PV modula. To je lahko tudi posledica procesa staranja EVA in lahko napade srebrne stike in vpliva na proizvodnjo celic. Za prepustne podlage to ni problem, saj lahko ocetna kislina uhaja. Toda za neprepustne podlage ta napaka lahko sčasoma povzroči znatne izgube energije.

Razbarvanje v kapsuli

To bo povzročilo nekaj izgube prenosa in s tem zmanjšano moč. Obarvanost je posledica beljenja kisika, zato z dihanjem hrbtne plošče središče celic razbarva, zunanji obroči pa ostanejo čisti. Do tega lahko pride zaradi slabega zamreženja in / ali aditivov v EVA formulaciji.

Slika 4: Razbarvana EVA [5].

Brez koncentracije traja pet do deset let, da se spremeni razbarvanje in dlje, da začnemo občutno zmanjšati izhodno moč. Obarva ne samo EVA, ampak aditivi v formulaciji. Ta napaka lahko prepreči, da bi nekaj svetlobe prišlo do plošče [5].

Določitev

Delaminacija je ločitev inkapsulata od stekla ali celice. Delaminacija je lahko med superstrom (steklo), podlago (hrbtna plošča) in enkapsulantom ali med enkapsulantom in celicami. Odstranjevanje prednjega stekla se lahko pojavi zaradi slabega oprijema EVA ali slabih postopkov čiščenja stekla med postopkom izdelave. Ta napaka lahko prepreči, da bi nekaj svetlobe prišlo do plošče. Težava lahko postane resnejša, če se vlaga nabere v praznini in ustvari kratke stike v bližini žic spajkalnika.

Delaminacija iz celice najverjetneje povzroči slabo navzkrižno povezovanje ali onesnaženje celične površine. Ta napaka je lahko resna, saj ko laminat ustvari zračni mehurček, obstaja možnost kopičenja vlage in kratkega stika. Do razbarvanja z vložka pride, če se EVA med izdelavo ni dobro prijel na vložek.

Nove poti in kasnejša korozija po odlaganju zmanjšujejo delovanje modula, vendar ne predstavljajo samodejno varnostnih težav. Vendar razslojevanje zadnjega lista lahko omogoči možnost izpostavljenosti aktivnim električnim komponentam. Kadar je modul izdelan s steklenimi sprednjimi in zadnjimi pločevinami, se lahko pojavijo dodatne napetosti, ki povečajo razslojevanje in / ali lom stekla.

Napake na hrbtni strani

Zadnji del modula služi tako za zaščito elektronskih komponent pred neposredno izpostavljenostjo okolju kot za zagotavljanje varnega delovanja ob visoki enosmerni napetosti. Hrbtne plošče so lahko sestavljene iz stekla ali polimerov in lahko vsebujejo kovinsko folijo.

Slika 5: Razbarvanje (Rycroft).

Najpogosteje je hrbtna plošča sestavljena iz laminatne strukture z visoko stabilnim in UV odpornim polimerom, pogosto na zunanji strani fluoropolimer, neposredno izpostavljen okolju, notranji sloj PET, ki mu sledi plast zapiranja [1] .

Če se namesto hrbtne pločevine uporablja zadnje steklo, se lahko zaradi razbijanja pokvari. Če je modul zasnovan kot tankoslojna naprava na zadnji strani (podlaga CIGS), potem to predstavlja znatno varnostno nevarnost poleg znatne ali, bolj verjetno, popolne izgube energije za ta modul. Ob razpokah je lahko majhna vrzel in nekaj napetosti, ki lahko proizvaja in vzdržuje električni lok.

Če se to zgodi skupaj z odpovedjo obvodne diode, bi lahko bila celotna napetost sistema prisotna čez režo, kar bi ustvarilo velik in trden lok, ki bi lahko raztalil steklo in morda sprožil požar. Če pa bi se v tipičen kristalni modul Si razbil stekleni hrbtni list, bi še vedno obstajala plast inkapsulata, ki bi zagotovila majhno mero električne izolacije.

Do odstopanja od EVA lahko pride zaradi slabega oprijema med EVA in hrbtne plošče ali če je adhezijska plast hrbtne plošče poškodovana zaradi izpostavljenosti UV ali zvišanja temperature.

Porumenelo sprednje strani povzroči razkroj polimera, ki se uporablja za pospeševanje oprijema določenega hrbtnega lista na inkapsulant. Rumenjanje je pogosto povezano s poslabšanjem mehanskih lastnosti. S to pomanjkljivostjo je verjetno, da bo hrbtni list sčasoma razpadel in / ali počil [3].

Porumenelo na zraku je znak občutljivosti na UV, ki jo lahko pospešimo z visokimi temperaturami. Ta napaka se pojavi tudi pri nekaterih podlogah zaradi toplotne degradacije. Rumenjanje je pogosto povezano s poslabšanjem mehanskih lastnosti. S to pomanjkljivostjo je verjetno, da bo hrbtni list sčasoma razpadel in / ali počil [3].

Vroče točke

V modulu segreva vroča točka, ko njegov obratovalni tok presega zmanjšan tok kratkega stika (I _sc ) v senci ali okvari celice ali skupine celic. Ko pride do takega stanja, je prizadeta celica ali skupina celic prisiljena v obratno pristranskost in mora razpršiti moč.

Sl. 6: Kristalne silicijeve sončne celice, ki so medsebojno povezane med seboj s trakom za lepljenje [6].

Če je porazdelitev moči dovolj velika ali lokalizirana, se lahko vzvratna pristranska celica pregreje, kar ima za posledico taljenje spajke in / ali silicija in poslabšanje zaklepa in hrbtne plošče [5].

Okvare traku in spoja traku

Sončne celice so opremljene z dvema osnovnima elementoma, sprednjim in zadnjim kontaktom, kar omogoča dovajanje toka v zunanji tokokrog. Tok se izvaja s trakovi vodila, ki so spajkani na sprednji in zadnji kontakt. Odpoved vrvice je povezana z izgubo izhodne moči. Prekinitve medsebojnih povezav nastanejo kot posledica toplotne ekspanzije in krčenja ali ponavljajočih se mehanskih napetosti. Poleg tega debelejši trak ali pregibi v traku prispevajo k prekinitvi medsebojnih povezav in povzročijo kratke stike in celice z odprtim vezjem.

Kritični del modula so povezave spajkalnega spoja. Sestavljeni so iz številnih materialov, ki so med seboj povezani, vključno s spajkalnikom, vodilnim trakom, trakom in silikonsko rezino. Ti materiali imajo različne toplotne in mehanske lastnosti. Pri lepljenju sklop razvije termomehanske zanesljivosti, ki jih povzročajo razlike v koeficientu toplotnega raztezka vezanih materialov. Spajka zagotavlja povezavo med elektrodo in trakom.

Temperatura PV modula se spreminja glede na lokalno vreme, kar posledično vpliva na hitrost razkroja spajkalnih povezav. V analizi modeliranja napovedi za življenjsko dobo so poročali, da je bila za isto vrsto modulov c-Si PV, ki se nahajajo v različnih vremenskih pogojih, življenjska doba najkrajša v puščavi, ki ji sledijo v tropih.

Čeprav ima uporaba postopka spajkanja pri sestavljanju sončnih celic v PV modulih prednost, da dobijo izdelke, ki imajo visoko zanesljivost z minimalnimi proizvodnimi stroški, tehnologija se pojavlja pri visoki temperaturi z lastnim potencialom, da ustvari strižni stres v silikonski rezini. Neuspeh in degradacija spajkalnih spojev povzroči povečanje serijske odpornosti, kar vodi do izgube moči.

Življenjska doba modula

Vse zgornje napake prispevajo k razgradnji in končni odpovedi PV-plošč. PV moduli so zasnovani tako, da trajajo 20 let ali več, novi moduli pa so podvrženi pospešenim preskusnim programom, ki simulirajo učinke toplote, vlage, temperaturnega kolesarjenja, UV sevanja in drugih dejavnikov [5]. Rezultati testnih programov, ki jih je izvedel Kohl, so prikazani na sliki 7 [7].

Slika 7: Preskusi za pospešeno staranje na komercialnih modulih c-Si [7].

Normalna raven moči 0,8 se običajno šteje za konec življenjske dobe za PV-ploščo. Iz testnih krivulj je razvidno, da se plošče po tej točki hitro pokvarijo.

V začetku devetdesetih let so bila značilna desetletna jamstva. Danes skoraj vsi proizvajalci ponujajo 20 do 25 letne garancije. Vendar 25-letna garancija še ne pomeni, da je projekt zaščiten. Zastaviti si morate naslednja vprašanja:

• Ali bo dobavitelj modulov približno čez 15 let, ko se bodo pojavile težave?

• Ali dobavitelj financira escrow račun, da zagotovi, da bo projekt zaščiten, če ga ni več?

• Ali se dobavitelj preprosto opira na preizkuse kvalifikacij IEC in tako uveljavlja trditve o dolgoročni trajnosti?

• Če je dobavitelj približno pet let, kako lahko trdim, da moduli trajajo 25 let?

Povečanje dolžine garancij je obetavno, vendar mora vlagatelj ali razvijalec skrbno pregledati podjetje, ki ga zagotavlja [4].

Reference

[1] IEA: „ Pregled napak fotonapetostnih modulov “, 13. naloga zunanje končno poročilo, IEA-PVPS, marec 2014.
[2] Dupont: " Vodnik za razumevanje napak na sončni plošči: od izdelave do poljanih modulov ", www.dupont.com
[3] M Kontges in drugi: „ Statistika razpok kristalnih fotonapetostnih modulov “, 26. evropska konferenca in razstava fotovoltaične sončne energije, 2011.
[4] E Fitz: " Spodnji učinek zanesljivosti PV modulov ", Svet obnovljivih virov energije, marec 2011.
[5] J Wolgemuth in drugi: " Načini odpovedi kristalnih modulov Si ", delavnica o zanesljivosti PV modulov 2010.
[6] M Zarmai: „ Pregled tehnologij medsebojnega povezovanja za izboljšan sklop fotovoltaičnih modulov kristalnega silicija v celicah “, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: PV zanesljivost (grozd II): Rezultati nemškega štiriletnega skupnega projekta - del I, rezultati pospešenih testov staranja in modeliranje razgradnje, 25. EU-PVSEC, 2010.