Guasti e guasti del modulo solare fotovoltaico

Fonte: ee.co.za

Le moderne apparecchiature fotovoltaiche solari sono progettate per un funzionamento affidabile per l'intera durata del prodotto. Nonostante ciò, si verificano ancora difetti di fabbricazione e guasti prematuri che possono influire sulle prestazioni di un prodotto.

Affidabilità e qualità sono progettate e integrate nelle moderne apparecchiature fotovoltaiche. Le tecniche di produzione in serie, sebbene controllate e uno scarso controllo di qualità possono ancora introdurre difetti di fabbricazione nel prodotto, e l'installazione sul campo e il trasporto possono causare danni, il che può ridurre la durata dei prodotti.

Un fattore chiave per ridurre i costi dei sistemi fotovoltaici è quello di aumentare l'affidabilità e la durata dei moduli fotovoltaici. Le statistiche odierne mostrano tassi di degrado della potenza nominale per i moduli fotovoltaici in silicio cristallino dello 0,8% / anno [1]. Sebbene i prodotti moderni siano progettati per utilizzare materiali di qualità superiore e fabbricazione meccanizzata, la concorrenza sui prezzi ha comportato l'utilizzo di materiali più sottili e meno nella fabbricazione di pannelli. Inoltre, è stato dimostrato che alcuni produttori sono tornati a utilizzare materiali di qualità inferiore a prezzi più bassi.

I guasti prematuri dei pannelli possono avere importanti implicazioni finanziarie per gli impianti fotovoltaici, poiché il costo del ciclo di vita maggiore è il capitale. Un guasto del modulo fotovoltaico è un effetto che degrada la potenza del modulo che non viene invertita dal normale funzionamento o crea un problema di sicurezza.

Un problema puramente estetico che non ha nessuna di queste conseguenze non è considerato un guasto del modulo fotovoltaico. Un guasto del modulo fotovoltaico è rilevante per la garanzia quando si verifica in condizioni che il modulo normalmente presenta [1].

In genere i guasti ai prodotti sono suddivisi nelle seguenti tre categorie:

• Insuccessi infantili

• Fallimenti di mezza età

• Guasti usurati

La Figura 1 mostra esempi di questi tre tipi di guasti per i moduli fotovoltaici. Oltre a questi guasti ai moduli, molti moduli fotovoltaici mostrano subito un degrado della potenza indotta dalla luce (LID) subito dopo l'installazione. Il LID è un tipo di guasto che si verifica comunque e la potenza nominale stampata sull'etichetta del modulo FV viene solitamente regolata dalla perdita di potenza saturata standardizzata prevista a causa di questo guasto.

Fig. 1: Tre scenari di guasto tipici per moduli fotovoltaici cristallini basati su wafer [1].

COPERCHIO: degradazione indotta dalla luce
PID: degrado potenziale indotto
EVA: etilene vinil acetato
J-box: scatola di giunzione

Guasto e insuccesso

Non sono disponibili studi dettagliati sui guasti in servizio per l'intera durata dei pannelli poiché la maggior parte delle installazioni sono recenti e i fornitori sono riluttanti a rilasciare tali dati. Le segnalazioni di studi sulla mortalità infantile, ovvero il fallimento durante l'installazione, forniscono cifre comprese tra l'1 e il 2% di tutti i pannelli installati [3]. Sono stati condotti numerosi studi di simulazione con tempi di vita accelerati, ma su un numero limitato di pannelli.

BP Solar ha riportato un tasso di fallimento dello 0,13% su un periodo di otto anni per i pannelli Solarex c-Si e Sandia National Laboratories ha previsto un tasso di fallimento dello 0,05% all'anno sulla base di dati sul campo [4]. Tuttavia, si tratta di cifre sulla prima infanzia a breve termine e non sono disponibili dati sui guasti a vita tardiva per installazioni su larga scala.

Principali difetti e guasti

I guasti possono essere suddivisi in tipi di guasti relativi alle prestazioni e alla sicurezza. I guasti relativi alla sicurezza potrebbero causare danni materiali o lesioni al personale. Gli errori relativi alle prestazioni comportano una perdita o un calo della potenza di uscita.

I difetti si verificano nelle seguenti aree:

• I wafer o le celle nei prodotti fotovoltaici cristallini

• L'incapsulamento

• La base di vetro

• Cablaggio interno

• Telaio e accessori

• Gli strati amorfi in PV amorfo

Guasti del wafer o della cella

Il deterioramento dell'efficienza della cellula è normale per tutta la vita della cellula e non viene considerato come un guasto o un fallimento a meno che il tasso di degradazione non superi i limiti normali. La maggior parte degli errori dei wafer o delle celle causerà la rottura del wafer e danni alle connessioni e ai conduttori. Difetti minori derivano da danni al rivestimento antiriflesso (ARC) e dalla corrosione cellulare. Il degrado indotto dalla luce nei pannelli solari amorfi è un effetto noto e non è necessariamente considerato un fallimento. Il potenziale degrado indotto è un nuovo fenomeno che è apparso a seguito di tensioni sempre più elevate utilizzate negli impianti fotovoltaici.

Delaminazione del rivestimento antiriflesso

Un rivestimento antiriflesso (ARC) aumenta la cattura della luce e, quindi, aumenta la conversione della potenza del modulo. La delaminazione ARC si verifica quando il rivestimento antiriflesso si stacca dalla superficie del silicio della cellula. Questo non è un difetto grave a meno che non vi sia molta delaminazione [2]. La ricerca ha dimostrato che le proprietà ARC sono un fattore causale nel PID.

Cracking cellulare

Le crepe nei moduli fotovoltaici sono onnipresenti. Possono svilupparsi in diverse fasi della vita del modulo.

Durante la produzione in particolare, la saldatura induce forti sollecitazioni nelle cellule. Movimentazione e vibrazioni durante il trasporto possono indurre o espandere fessurazioni [4]. Infine, un modulo sul campo subisce carichi meccanici dovuti a vento (pressione e vibrazioni) e neve (pressione).

Le micro-crepe possono essere causate o aggravate da:

• Produzione

• Trasporto

• Installazione

• Stress in servizio (termico e non)

I wafer cristallini sono aumentati di dimensioni e diminuito di spessore nel corso degli anni, aumentando il potenziale di rottura e rottura. Le crepe nelle celle solari sono un vero problema per i moduli fotovoltaici in quanto sono difficili da evitare e, finora, sostanzialmente impossibili da quantificare nel loro impatto sull'efficienza del modulo durante la sua vita. In particolare, la presenza di microcricche può avere solo un effetto marginale sulla potenza di un nuovo modulo, a condizione che le diverse parti delle celle siano ancora collegate elettricamente.

Man mano che il modulo invecchia ed è soggetto a sollecitazioni termiche e meccaniche, possono essere introdotte crepe. Un movimento relativo ripetuto delle parti cellulari screpolate può provocare una separazione completa, risultando in parti cellulari inattive. Per questo caso speciale è possibile una chiara valutazione della perdita di potenza. Per un modulo fotovoltaico da 60 celle, 230 W, la perdita di parti di cella è accettabile purché la parte persa sia inferiore all'8% dell'area della cella [3].

Fig. 2: tracce di lumache dovute a micro-crepe nelle celle [1].

Le micro-crepe sono crepe nel substrato di silicio delle celle fotovoltaiche che spesso non possono essere viste ad occhio nudo. Le crepe possono formarsi in diverse lunghezze e orientamento in una cella solare. L'affettatura del wafer, la tesatura della produzione di celle e il processo di inclusione durante il processo di produzione causano crepe nelle celle fotovoltaiche. Il processo di tesatura delle celle solari presenta un rischio particolarmente elevato per l'introduzione di crepe [1].

Ci sono tre diverse fonti di micro-crepe durante la produzione; ognuno ha la propria probabilità di occorrenza:

• Le crepe a partire dal nastro di interconnessione delle celle sono causate dallo stress residuo indotto dal processo di saldatura. Queste crepe si trovano spesso all'estremità o nel punto iniziale del connettore, poiché vi è la massima sollecitazione residua. Questo tipo di crack è il più frequente.

• La cosiddetta incrinatura incrociata, causata da macchinari che premono sul wafer durante la produzione.

• Le crepe che iniziano dal bordo della cella sono causate dall'impatto della cellula contro un oggetto duro.

Quando sono presenti crepe cellulari in un modulo solare, aumenta il rischio che durante il funzionamento del modulo solare le crepe a celle corte possano svilupparsi in crepe più lunghe e più larghe. Ciò è dovuto allo stress meccanico causato dal carico del vento o della neve e alle sollecitazioni termo-meccaniche sui moduli solari dovute alle variazioni di temperatura causate dal passaggio delle nuvole e alle variazioni del tempo.

Le micro-crepe possono avere origini diverse e comportare risultati piuttosto "morbidi" come la frantumazione di riduzione della resa di parti della cellula interessata fino a impatti più gravi che comportano riduzioni della corrente di cortocircuito e dell'efficienza della cella. Visivamente, le micro-crepe possono apparire sotto forma di cosiddette "scie di lumaca" sulla struttura cellulare. Tuttavia, le scie di lumaca - come segno di impatto a lungo termine - possono anche essere il risultato di un processo chimico che causa il cambiamento della superficie della cellula e / o dei punti caldi.

A seconda del tipo di crepa delle crepe più grandi, lo stress termico, meccanico e l'umidità possono portare a parti di celle “morte” o “inattive” che causano una perdita di potenza erogata dalla cella fotovoltaica interessata. Una parte di cella morta o inattiva significa che questa particolare parte della cella fotovoltaica non contribuisce più alla potenza totale del modulo solare. Quando questa parte morta o inattiva della cella fotovoltaica è maggiore dell'8% dell'area totale della cella, si avrà una perdita di potenza che aumenta approssimativamente in modo lineare con l'area della cella inattiva [1].

Le crepe potenzialmente crescono per un tempo operativo più lungo e quindi estendono il loro impatto dannoso sulla funzionalità e sulle prestazioni di un modulo fotovoltaico, innescando potenzialmente anche punti caldi. Le micro-crepe non rilevate possono comportare una durata del campo inferiore al previsto. Differiscono per dimensioni, posizione sulla cella e qualità dell'impatto.

Le micro-crepe possono essere rilevate sul campo prima dell'installazione e per tutta la durata di un progetto. Esistono diversi metodi di test di qualità per identificare le micro-crepe di cui il test di rivelazione dell'elettroluminescenza (EL) o dell'elettroluminescenza (ELCD) è uno dei metodi più applicati. I test EL sono in grado di rilevare difetti nascosti che prima non erano rintracciabili con altri metodi di test, come l'imaging a infrarossi (IR) con termocamere, caratteristiche VA e test flash [1]. Alcuni produttori raccomandano di ispezionare regolarmente i pannelli installati nel corso della vita [3].

Difetti di incapsulamento

Un pannello solare è un "sandwich", composto da diversi strati di materiali (Fig. 3).

Fig. 3: Componenti di un modulo fotovoltaico [2].

I materiali incapsulanti sono usati per:

• Resistere a calore, umidità, radiazioni UV e cicli termici

• Fornire una buona adesione

• Accoppia otticamente il vetro alle cellule

• Isolare elettricamente i componenti

• Controlla, riduci o elimina l'ingresso di umidità

Il materiale più usato per l'incapsulamento è l'etilinea vinil acetato (EVA). Il fallimento dell'incapsulante può provocare guasti o deterioramento del modulo fotovoltaico.

Mancata adesione

L'adesione tra vetro, incapsulante, strati attivi e strati posteriori può essere compromessa per molte ragioni. La tecnologia a film sottile e altri tipi di tecnologia fotovoltaica possono contenere anche un ossido conduttivo trasparente (TCO) o uno strato simile che può delaminare da uno strato di vetro adiacente.

In genere, se l'adesione è compromessa a causa della contaminazione (ad es. Pulizia impropria del vetro) o di fattori ambientali, si verificherà una delaminazione, seguita da infiltrazioni di umidità e corrosione. La delaminazione alle interfacce all'interno del percorso ottico provocherà una riflessione ottica (ad es. Fino al 4%, perdita di potenza, a una singola interfaccia aria / polimero) e conseguente perdita di corrente (potenza) dai moduli [1].

Produzione di acido acetico

Le lastre di EVA reagiscono con l'umidità per formare acido acetico che accelera il processo di corrosione del componente interno dei componenti del modulo fotovoltaico. Ciò può anche derivare dal processo di invecchiamento dell'EVA e può attaccare i contatti d'argento e influire sulla produzione cellulare. Per i fogli posteriori permeabili, questo non è un problema perché l'acido acetico può fuoriuscire. Tuttavia, per i fogli posteriori impermeabili, questo difetto può causare perdite di potenza sostanziali nel tempo.

Scolorimento incapsulante

Ciò comporterà una perdita di trasmissione e quindi una riduzione della potenza. Lo scolorimento è dovuto allo sbiancamento dell'ossigeno, quindi con un foglio traspirante il centro delle cellule si scolorisce mentre gli anelli esterni rimangono chiari. Ciò può verificarsi a causa della scarsa reticolazione e / o degli additivi nella formulazione EVA.

Fig. 4: EVA scolorito [5].

Senza concentrazione ci vogliono dai cinque ai dieci anni per vedere lo scolorimento e più tempo per iniziare a ridurre sensibilmente la potenza di uscita. Non è l'EVA stesso a scolorire, ma gli additivi nella formulazione. Questo difetto può impedire a una certa luce di raggiungere il pannello [5].

delaminazione

La delaminazione è la separazione dell'incapsulante dal vetro o dalla cella. La delaminazione può essere tra superstrato (vetro), substrato (foglio posteriore) e incapsulante o tra incapsulante e cellule. La delaminazione dal vetro frontale può verificarsi a causa della scarsa adesione EVA o delle procedure di pulizia del vetro durante il processo di fabbricazione. Questo difetto può impedire a una certa luce di raggiungere il pannello. Il problema può diventare più grave se l'umidità si accumula nel vuoto e crea cortocircuiti vicino ai fili di saldatura.

La delaminazione dalla cellula è probabilmente causata da una cattiva reticolazione o contaminazione della superficie cellulare. Questo difetto può essere grave perché quando si crea una bolla d'aria nel laminato, esiste la possibilità di accumulo di umidità e cortocircuiti. La delaminazione dall'inserto si verifica se l'EVA non aderisce bene all'inserto durante la fabbricazione.

I nuovi percorsi e la conseguente corrosione in seguito alla delaminazione riducono le prestazioni del modulo, ma non rappresentano automaticamente un problema di sicurezza. La delaminazione del foglio posteriore, tuttavia, può consentire la possibilità di esposizione a componenti elettrici attivi. Quando un modulo è costruito con fogli frontali e posteriori in vetro, potrebbero esserci ulteriori sollecitazioni che migliorano la delaminazione e / o la rottura del vetro.

Difetti del retro del foglio

Il retro di un modulo serve sia per proteggere i componenti elettronici dall'esposizione diretta all'ambiente, sia per garantire un funzionamento sicuro in presenza di alte tensioni CC. I fogli posteriori possono essere composti di vetro o polimeri e possono incorporare una lamina di metallo.

Fig. 5: Delaminazione (Rycroft).

Più comunemente, un foglio posteriore è costituito da una struttura laminata con un polimero altamente stabile e resistente ai raggi UV, spesso un fluoropolimero all'esterno, direttamente esposto all'ambiente, uno strato interno di PET, seguito dallo strato incapsulante [1] .

Quando si utilizza un vetro posteriore anziché un foglio posteriore, potrebbe rompersi rompendosi. Se il modulo è costruito come un dispositivo a film sottile sul retro (substrato CIGS), ciò presenta un rischio significativo per la sicurezza oltre a una perdita di potenza significativa o, più probabilmente, completa per quel modulo. Potrebbe esserci un piccolo spazio lungo le crepe e una certa tensione che è in grado di produrre e sostenere un arco elettrico.

Se ciò accade in concomitanza con il guasto di un diodo di bypass, l'intera tensione del sistema potrebbe essere presente attraverso l'intercapedine creando un arco ampio e prolungato che probabilmente scioglierà il vetro, provocando probabilmente un incendio. Tuttavia, se un back-glass di vetro dovesse rompersi in un tipico modulo Si cristallino, ci sarebbe comunque uno strato di incapsulante per fornire una piccola misura di isolamento elettrico.

La delaminazione dall'EVA può verificarsi a causa della scarsa adesione tra l'EVA e il foglio posteriore o se lo strato di adesione del pannello posteriore è danneggiato dall'esposizione ai raggi UV o da un aumento della temperatura.

L'ingiallimento del lato anteriore è causato da una degradazione del polimero utilizzato per favorire l'adesione del foglio posteriore specifico all'incapsulante. L'ingiallimento è spesso associato al peggioramento delle proprietà meccaniche. Con questo difetto, è probabile che il back-sheet possa eventualmente delaminare e / o rompersi [3].

L'ingiallimento lato aria è un segno di sensibilità ai raggi UV che può essere accelerato dalle alte temperature. Questo difetto si verifica anche in alcuni fogli posteriori a causa del degrado termico. L'ingiallimento è spesso associato al peggioramento delle proprietà meccaniche. Con questo difetto, è probabile che il back-sheet possa eventualmente delaminare e / o rompersi [3].

Hotspot

Il riscaldamento del punto caldo si verifica in un modulo quando la sua corrente di funzionamento supera la corrente di cortocircuito ridotta (I _sc ) di una cella o gruppo di celle ombreggiate o difettose. Quando si verifica una condizione del genere, la cellula o il gruppo di cellule interessati viene forzato in polarizzazione inversa e deve dissipare energia.

Fig. 6: celle solari al silicio cristallino interconnesse in serie con un nastro per linguette [6].

Se la dissipazione di potenza è abbastanza elevata o abbastanza localizzata, la cella polarizzata al contrario può surriscaldarsi con conseguente fusione della lega per saldatura e / o silicio e deterioramento dell'incapsulante e del foglio posteriore [5].

Nastro conduttore e guasti ai giunti

Le celle solari sono dotate di due elementi di base, i contatti anteriore e posteriore, che consentono l'erogazione di corrente al circuito esterno. La corrente è trasportata da strisce di bus che sono saldate ai contatti anteriore e posteriore. Un errore del nastro della stringa è associato alla perdita di potenza in uscita. Le interruzioni di interconnessione si verificano a seguito di espansione e contrazione termica o ripetute sollecitazioni meccaniche. Inoltre, nastri più spessi o pieghe nel nastro contribuiscono alla rottura delle interconnessioni e danno luogo a celle in corto circuito e celle a circuito aperto.

Una parte critica del modulo sono le interconnessioni dei giunti di saldatura. Sono costituiti da molti materiali uniti tra cui saldatura, sbarra collettrice, nastro e wafer di silicio. Questi materiali possiedono diverse proprietà termiche e meccaniche. Nell'incollaggio, l'assemblaggio sviluppa problemi di affidabilità termo-meccanica causati da differenze nel coefficiente di dilatazione termica dei materiali incollati. La saldatura fornisce una connessione tra l'elettrodo e il nastro.

La temperatura del modulo fotovoltaico varia in base alle condizioni meteorologiche locali, il che a sua volta influenza il tasso di degrado dell'interconnessione della saldatura. In un'analisi del modello di previsione della durata della vita è stato riferito che per lo stesso tipo di moduli fotovoltaici c-Si situati in varie condizioni meteorologiche, la durata della vita era più breve in un deserto seguita da quelle dei tropici.

Sebbene l'uso del processo di saldatura nell'assemblaggio di celle solari nei moduli fotovoltaici abbia il vantaggio di produrre prodotti che possiedono un'elevata affidabilità a costi di produzione minimi, la tecnologia si verifica ad alta temperatura con il potenziale intrinseco di produrre tensioni di taglio nel wafer di silicio. Il guasto e il degrado dei giunti di saldatura causano un aumento della resistenza in serie, con conseguente perdita di potenza.

Durata del modulo

Tutti i suddetti guasti contribuiscono al degrado e al fallimento finale dei pannelli fotovoltaici. I moduli fotovoltaici sono progettati per durare almeno 20 anni e i nuovi moduli sono sottoposti a programmi di test accelerati che simulano gli effetti di calore, umidità, cicli di temperatura, radiazioni UV e altri fattori [5]. I risultati dei programmi di test condotti da Kohl sono mostrati nella Figura 7 [7].

Fig. 7: Test di invecchiamento accelerato su moduli commerciali c-Si [7].

Un livello di potenza normalizzato di 0,8 viene generalmente considerato come fine vita per un pannello fotovoltaico. Dalle curve di prova si può vedere che i pannelli si deteriorano rapidamente dopo questo punto.

All'inizio degli anni '90, le garanzie di dieci anni erano tipiche. Oggi, quasi tutti i produttori offrono garanzie da 20 a 25 anni. Ma una garanzia di 25 anni non significa che il progetto sia protetto. È necessario porre le seguenti domande:

• Il fornitore del modulo sarà presente tra 15 anni quando si verificano problemi?

• Il fornitore finanzia un conto deposito a garanzia per garantire che, se sparito, il progetto sarà protetto?

• Il fornitore si affida semplicemente ai test di qualificazione IEC per fare affermazioni sulla durabilità a lungo termine?

• Se il fornitore è in circolazione da cinque anni, come può affermare che i moduli durano 25 anni?

L'aumento della durata delle garanzie è promettente, ma un investitore o uno sviluppatore deve rivedere attentamente la società che le fornisce [4].

Riferimenti

[1] IEA: " Revisione dei guasti dei moduli fotovoltaici ", rapporto finale esterno Task 13, IEA-PVPS, marzo 2014.
[2] Dupont: " Una guida alla comprensione dei difetti dei pannelli solari: dalla fabbricazione ai moduli in campo ", www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Statistiche sulle crepe dei moduli fotovoltaici cristallini ", 26ª Conferenza ed esposizione europea sull'energia solare fotovoltaica, 2011.
[4] E Fitz: " L'impatto finale dell'affidabilità dei moduli fotovoltaici ", Renewable Energy World, marzo 2011.
[5] J Wolgemuth et al: " Modalità di guasto dei moduli Si cristallini ", Workshop sull'affidabilità dei moduli fotovoltaici 2010.
[6] M Zarmai: " Una revisione delle tecnologie di interconnessione per un migliore assemblaggio del modulo fotovoltaico a celle solari in silicio cristallino ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: affidabilità del fotovoltaico (Cluster II): risultati di un progetto congiunto di quattro anni tedesco - Parte I, risultati test di invecchiamento accelerato e modellizzazione del degrado, 25 ° EU-PVSEC, 2010.