Päikesepaneelide mooduli rikked ja rikked

Allikas: ee.co.za

Kaasaegsed päikeseenergial töötavad seadmed on loodud töökindlaks kasutamiseks toote kogu kasutusaja jooksul. Vaatamata nimetatud tootmisdefektidele ja enneaegsetele tõrgetele võib siiski esineda toote töövõimet.

Töökindlus ja kvaliteet on projekteeritud ja ehitatud kaasaegsete päikesepaneelide jaoks. Ehkki masstootmise tehnikad on kontrollitud ja halb kvaliteedikontroll, võivad nad tootele siiski tuua kaasa tootmisvigu ning paigaldus ja transport võib põhjustada kahjustusi, mis kõik võivad lühendada toodete eluiga.

Fotoelektriliste süsteemide kulude vähendamise üheks võtmeteguriks on PV-moodulite töökindluse ja kasutusea pikendamine. Tänane statistika näitab kristalliliste ränidioksiidmoodulite nimivõimsuse lagunemismäärasid 0,8% aastas [1]. Ehkki kaasaegsed tooted on loodud kvaliteetsemate materjalide kasutamiseks ja mehhaniseeritud tootmiseks, on hinnakonkurentsi tulemusel paneelide valmistamisel kasutatud õhemaid ja vähem materjale. Lisaks on tõendeid selle kohta, et mõned tootjad on pöördunud madalama kvaliteediga materjalide kasutamise poole madalamate hindade saamiseks.

Paneelide enneaegne rike võib päikeseenergiaseadmetele olulist rahalist mõju avaldada, kuna peamine olelusringi maksumus on kapital. PV-mooduli rike on mõju, mis kas halvendab mooduli võimsust, mida tavapärane töö ei tühista või tekitab ohutusprobleeme.

Puhtalt kosmeetilist probleemi, millel pole kumbagi neist tagajärgedest, ei peeta PV-mooduli rikkeks. PV-mooduli rike on garantii puhul oluline, kui see ilmneb mooduli tavapärastes tingimustes [1].

Tavaliselt jagatakse toodete rikked järgmisse kolme kategooriasse:

• Imikute ebaõnnestumised

• Keskmise elu ebaõnnestumised

• Kulumishäired

Joonisel 1 on toodud näited nende kolme tüüpi tõrgete kohta PV-moodulite korral. Lisaks nendele mooduliriketele näitavad paljud PV-moodulid kohe pärast paigaldamist valguse põhjustatud energiatarbimist (LID). LID on rikke tüüp, mis ilmneb igal juhul ja PV-mooduli sildile trükitud nimivõimsust kohandatakse tavaliselt selle tõrke tõttu eeldatava standardiseeritud küllastunud energia kaoga.

Joonis 1: vahvlil põhinevate kristalliliste fotogalvaaniliste moodulite kolm tüüpilist tõrkestsenaariumi [1].

LID: Valgust põhjustatud lagunemine
PID: potentsiaalne indutseeritud lagunemine
EVA: etüleenvinüülatsetaat
J-kast: harukarp

Rikete ja rikete esinemine

Paneelide kogu kasutusaja jooksul ei ole kasutusel olevate tõrgete kohta üksikasjalikke uuringuid saadaval, kuna enamik paigaldusi on hiljuti tehtud ja tarnijad ei soovi selliseid andmeid avaldada. Imikute suremuse uuringute aruanded, st paigalduse ebaõnnestumine, näitavad 1–2% kõigist paigaldatud paneelidest [3]. On tehtud mitmeid kiirendatud elueaga simulatsiooniuuringuid, kuid piiratud arvu paneelidega.

BP Solar on teatanud Solarex c-Si paneelide tõrkeprotsendiks kaheksa aasta jooksul 0,13% ja Sandia National Laboratories on põlluandmete põhjal ennustanud tõrkeprotsendiks 0,05% aastas [4]. Need on siiski lühiajalised andmed varajase eluea kohta ja suuremahuliste käitiste hilinenud eluea tõrgete kohta andmeid pole.

Suured vead ja rikked

Rikkeid saab jagada jõudluse ja ohutusega seotud tõrketüüpideks. Ohutusega seotud tõrked võivad põhjustada varakahjustusi või personali vigastada. Jõudlusega seotud rikete tulemuseks on väljundvõimsuse kaotus või langus.

Defektid esinevad järgmistes piirkondades:

• Kristalliliste PV-toodete vahvlid või rakud

• Kapseldamine

• Klaasist alus

• Sisemine juhtmestik

• Raam ja liitmikud

• Amorfsed kihid amorfses PV-s

Vahvli- või rakuvead

Elemendi efektiivsuse halvenemine on kogu elemendi eluea vältel normaalne ja seda ei loeta veaks ega rikkeks, välja arvatud juhul, kui lagunemiskiirus ületab normaalse piiri. Enamik vahvli või elementide tõrkeid on vahvli lõhenemine ning ühenduste ja juhtmete kahjustused. Väiksemad vead tekivad peegeldumisvastase katte (ARC) kahjustuste ja raku korrosiooni tõttu. Valgust põhjustatud lagunemine amorfsetes päikesepaneelides on teadaolev mõju ja seda ei peeta tingimata rikkeks. Võimalik indutseeritud lagunemine on uus nähtus, mis on ilmnenud PV süsteemides kasutatavate järjest kõrgemate pingete tagajärjel.

Peegeldusvastase katte delamineerimine

Peegeldusvastane kate (ARC) suurendab valguse hõivamist ja suurendab seetõttu mooduli energia muundamist. ARC delamineerimine toimub siis, kui peegeldusvastane kate eemaldub raku ränipinnalt. See ei ole tõsine puudus, kui delamineerimist pole palju [2]. Uuringud on näidanud, et ARC omadused on PID-i põhjustavaks teguriks.

Rakkude lõhenemine

Praod PV-moodulites on üldlevinud. Need võivad areneda mooduli eluea erinevatel etappidel.

Eelkõige valmistamise ajal põhjustab jootmine rakkudele suuri pingeid. Käsitsemine ja vibratsioon transpordil võivad tekitada või laiendada pragusid [4]. Lõpuks kogeb välimoodul tuule (rõhu ja vibratsiooni) ning lume (rõhu) tõttu mehaanilisi koormusi.

Mikropragusid võivad põhjustada või süvendada:

• Tootmine

• Transport

• Paigaldamine

• Kasutusstress (termiline ja muu)

Kristalliliste vahvlite suurus on aastatega suurenenud ja paksus vähenenud, suurendades purunemise ja pragunemise tõenäosust. Päikesepatareide praod on PV-moodulite tõeline probleem, kuna neid on raske vältida ja siiani on põhimõtteliselt võimatu mõõta nende mõju mooduli efektiivsusele kogu selle kasutusaja jooksul. Täpsemalt, mikrolõhede esinemisel võib uue mooduli võimsusele olla vaid marginaalne mõju, kui lahtrite erinevad osad on endiselt elektriliselt ühendatud.

Mooduli vananedes ja sellele avaldades termilisi ja mehaanilisi pingeid, võivad tekkida praod. Pragunenud rakuosade korduv suhteline liikumine võib põhjustada täieliku eraldamise, mille tulemuseks on inaktiivsed rakuosad. Sellel erijuhul on võimalik võimsuse kadu selgelt hinnata. 60-elemendilise 230 W PV-mooduli korral on elementide kaotus vastuvõetav, kui kaotatud osa on väiksem kui 8% lahtri pindalast [3].

Joonis 2: tigude jäljed rakkude mikrolõhedest [1].

Mikropraod on praod PV-rakkude ränisubstraadis, mida palja silmaga sageli ei näe. Praod võivad päikesepatareis moodustada erineva pikkuse ja suunaga. Vahvli viilutamine, elementide tootmise nöörid ja kinnistamisprotsess tootmisprotsessi ajal põhjustavad fotoelementide raku pragusid. Päikesepatareide stringimisprotsessil on eriti suur pragude tekkimise oht [1].

Tootmise ajal on kolm erinevat mikropragude allikat; igal neist on oma esinemise tõenäosus:

• Lahtrite ühenduslindist algavad praod on põhjustatud joodisprotsessi põhjustatud jääkpingest. Need praod asuvad sageli pistiku lõpus või alguspunktis, kuna seal on suurim jääkpinge. See pragude tüüp on kõige sagedasem.

• Niinimetatud ristpragu, mille põhjustavad masinad pressimise ajal vahvlile pressimise ajal.

• Lahtri servast algavad praod on põhjustatud raku kokkupõrkest vastu kõva eset.

Kui päikesemoodulis on raku praod, on suurenenud oht, et päikesemooduli töö ajal võivad lühikesed raku praod muutuda pikemateks ja laiemateks pragudeks. Selle põhjuseks on tuule- või lumekoormusest põhjustatud mehaaniline stress ja päikesemoodulite termomehaaniline stress, mis on tingitud mööduvate pilvede ja ilmastiku muutumisest põhjustatud temperatuurimuutustest.

Mikropragudel võib olla erinevat päritolu ja need võivad anda üsna pehmeid tulemusi, näiteks mõjutatud raku osade saagist vähendav purustamine kuni tõsisemate mõjudeni, mis hõlmavad lühisevoolu ja raku efektiivsuse vähenemist. Visuaalselt võivad raku struktuuril tekkida mikrolõhed nn tiguradadena. Tigujäljed - pikaajalise löögimärgina - võivad olla ka keemilise protsessi tagajärg, mis põhjustab raku pinna muutumist ja / või kuumade kohtade tekkimist.

Sõltuvalt suuremate pragude pragude mustrist võivad termiline, mehaaniline pinge ja niiskus põhjustada “surnud” või “passiivseid” elemente, mis põhjustavad mõjutatud fotogalvaanilise elemendi energiakulu. Surnud või mitteaktiivne osa tähendab, et see fotoelemendi konkreetne osa ei anna enam päikesemooduli koguvõimsust. Kui fotogalvaanilise elemendi surnud või passiivne osa on suurem kui 8% kogu elemendi kogupindalast, põhjustab see energiakadu, mis suureneb umbes inaktiivse elemendi pindalaga ligikaudu lineaarselt [1].

Praod võivad pikema tööaja jooksul suureneda ja seega laiendada nende pahatahtlikku mõju PV-mooduli funktsionaalsusele ja jõudlusele, käivitades potentsiaalselt ka levialad. Tuvastamata mikrolõhed võivad põhjustada oodatust väiksema põllu eluea. Need erinevad suuruse, raku asukoha ja löögikvaliteedi poolest.

Mikropragusid saab põllul tuvastada enne paigaldamist ja kogu projekti vältel. Mikropragude tuvastamiseks on erinevaid kvaliteedimeetodeid, millest üks enim rakendatud on elektroluminestsentsi (EL) või elektroluminestsentsi pragude tuvastamise (ELCD) testimine. EL-testimisega saab tuvastada varjatud defekte, mida enne muude katsemeetodite (näiteks infrapuna (IR)) kuvamist termokaameratega, VA karakteristikute ja välktestide abil ei olnud võimalik jälgida. [1] Mõned tootjad soovitavad paigaldatud paneele regulaarselt kontrollida kogu tööea jooksul [3].

Kapseldamisvead

Päikesepaneel on võileib, mis koosneb erinevatest kihtidest materjalidest (joonis 3).

Joonis 3: PV-mooduli komponendid [2].

Kapseldavaid materjale kasutatakse selleks, et:

• Taluma kuumust, niiskust, ultraviolettkiirgust ja soojustsüklit

• Tagage hea nakkuvus

• Klaas ühendatakse lahtritega optiliselt

• Isoleerige komponendid elektriliselt

• Kontrollige, vähendage või kõrvaldage niiskuse sissepääs

Enim kapseldamiseks kasutatud materjal on etaliinvinüülatsetaat (EVA). Kapseldaja rike võib põhjustada PV-mooduli rikke või riknemise.

Adhesiooni ebaõnnestumine

Klaasi, kapseldamisaine, aktiivsete kihtide ja tagumiste kihtide vahelist haardumist võib mitmel põhjusel kahjustada. Õhuke kile ja muud tüüpi PV-tehnoloogia võivad sisaldada ka läbipaistvat juhtivat oksiidi (TCO) või sarnast kihti, mis võib eralduda külgnevast klaasikihist.

Tavaliselt, kui nakkumine on kahjustatud saastumise (nt klaasi ebaõige puhastamine) või keskkonnategurite tõttu, toimub lamineerimine, millele järgneb niiskuse sissepääs ja korrosioon. Kihistumine optilise tee liidestes põhjustab optilise peegelduse (nt kuni 4%, energiakadu ühe õhu / polümeeri liidese korral) ja sellele järgneva moodulite voolu (võimsuse) kaotuse [1].

Äädikhappe tootmine

EVA lehed reageerivad niiskusega, moodustades äädikhappe, mis kiirendab PV-mooduli komponentide sisemise osa korrosiooniprotsessi. See võib tuleneda ka EVA vananemisprotsessist ning võib rünnata hõbedakontakte ja mõjutada rakkude tootmist. Läbilaskvate alusplekkide puhul pole see probleem, kuna äädikhape pääseb välja. Mitteläbilaskvate alusplekkide puhul võib see defekt aja jooksul põhjustada olulisi energiakadusid.

Kapseldav värvus

Selle tulemuseks on ülekande kaotus ja seega ka võimsuse vähenemine. Värvimuutus on tingitud hapniku pleegitamisest, nii et hingava tagakihiga muutuvad rakkude keskpunktid, kui välisrõngad jäävad selgeks. See võib ilmneda nõrga ristsildamise ja / või lisaainete tõttu EVA preparaadis.

Joonis 4: värvusetuks muutunud EVA [5].

Ilma kontsentreerimiseta võtab värvimuutuse nägemine viis kuni kümme aastat ja väljundvõimsuse märgatava vähendamise alustamiseks kauem aega. Värvi ei muuda EVA ise, vaid valmistise lisandid. See defekt võib takistada valguse jõudmist paneelile [5].

Delamineerimine

Delamineerimine on kapseldusaine eraldamine klaasist või kärjest. Delamineerimine võib toimuda superstaari (klaas), substraadi (tagakülg) ja kapseldamisaine vahel või kapsli ja rakkude vahel. Esiklaasist hõõrdumine võib tekkida halva EVA-nakkumise või klaaside halva puhastusprotseduuri tõttu valmistamisprotsessi ajal. See defekt võib takistada valguse jõudmist paneelile. Probleem võib muutuda tõsisemaks, kui niiskus koguneb tühjaks ja tekitab jootejuhtmete läheduses lühiseid.

Rakust delamineerumine on tõenäoliselt põhjustatud raku pinna halvast ristsidumisest või saastumisest. See defekt võib olla tõsine, sest kui laminaadis tekib õhumull, on niiskuse kogunemise ja lühiste tekkimise võimalus. Sisekihist eemaldamine toimub siis, kui EVA ei kleepunud vahetundide ajal tootmise ajal hästi kinni.

Uued rajad ja sellele järgnev korrosioon, mis järgneb delamineerimisele, vähendavad mooduli jõudlust, kuid ei põhjusta automaatselt ohutusprobleeme. Tagaplaadi delaminatsioon võib siiski võimaldada kokkupuudet aktiivsete elektriliste komponentidega. Kui moodul on konstrueeritud klaasist esi- ja tagakülgedega, võib esineda lisapingeid, mis suurendavad delamineerumist ja / või klaasi purunemist.

Tagaplaadi puudused

Mooduli tagakülg kaitseb nii elektroonilisi komponente otsese keskkonna mõju eest kui ka turvalise töö tagamiseks kõrge alalispinge korral. Tagakihid võivad koosneda klaasist või polümeeridest ja sisaldada metallfooliumi.

Joonis 5: delamineerimine (Rycroft).

Tavaliselt koosneb tagakiht laminaatkonstruktsioonist, millel on ülipüsiv ja UV-kindel polümeer, sageli väljastpoolt fluoropolümeer, mis on otseselt keskkonnale avatud, sisemine PET-kiht, millele järgneb kapseldav kiht [1] .

Kui tagakihi asemel kasutatakse tagumist klaasi, võib see purunemisel ebaõnnestuda. Kui moodul on konstrueeritud õhukese kilega seadmena tagaküljele (substraat CIGS), siis kujutab see moodulile lisaks märkimisväärsele või, mis on tõenäolisem, täielikku energiakaotust, märkimisväärset ohutust. Pragude vahel võib olla väike vahe ja mingi pinge, mis on võimeline tekitama ja säilitama elektrikaare.

Kui see juhtub koos möödavoolu dioodi rikkega, võib kogu süsteemi pinge kogu tühimiku kohal olla, tekitades suure ja püsiva kaare, mis tõenäoliselt sulatab klaasi, võib põhjustada tulekahju. Kui aga klaasist tagakülg puruneks tüüpilises kristalses Si-moodulis, oleks sellele siiski kapseldaja kiht, mis tagaks väikese elektrilise isolatsiooni.

EVA-st eemaldamine võib toimuda halva haardumise tõttu EVA ja tagaplaadi vahel või kui ultraviolettvalguse mõjutamine või temperatuuri tõus kahjustab tagakihi adhesioonikihti.

Esikülje kollasus on põhjustatud polümeeri lagunemisest, mida kasutatakse konkreetse tagakülje kleepumise soodustamiseks kapseldajaga. Kollasust seostatakse sageli mehaaniliste omaduste halvenemisega. Selle defekti korral on tõenäoline, et tagakülg võib lõpuks laguneda ja / või praguneda [3].

Kollane õhk on UV-tundlikkuse märk, mida kõrge temperatuur võib kiirendada. See puudus ilmneb ka mõnel alusplekil termilise lagunemise tagajärjel. Kollasust seostatakse sageli mehaaniliste omaduste halvenemisega. Selle defekti korral on tõenäoline, et tagakülg võib lõpuks laguneda ja / või praguneda [3].

Kuumad kohad

Kuumpunktiga kuumutamine toimub moodulis siis, kui selle töövool ületab varjutatud või vigase raku või lahtrigrupi vähendatud lühisevoolu (I _sc ). Sellise seisundi ilmnemisel sunnitakse mõjutatud rakk või rakurühm vastupidist kallutatust ja see peab energia hajuma.

Joonis 6. Kristallilised ränist päikesepatareid, mis on üksteisega ühendatud silindribaga [6].

Kui energia hajumine on piisavalt suur või piisavalt lokaliseeritud, võib vastupidiselt kallutatud element üle kuumeneda, mille tagajärjeks on joodis ja / või räni ning sulamiskapsel ja tagakülg halvenevad [5].

Juhtlint ja liigese rikked

Päikeseelemendid on varustatud kahe põhielemendi, esi- ja tagakontaktidega, võimaldades voolu väljutamist välisele vooluringile. Voolu juhivad bussi ribad, mis on joodetud esi- ja tagakontaktide külge. Keeltriba tõrge on seotud väljundvõimsuse kaotamisega. Ühenduskatkestused tekivad soojuspaisumise ja kokkutõmbumise või korduva mehaanilise koormuse tagajärjel. Veelgi enam, paksem lint või paelad mõjutavad ühenduste purunemist ja põhjustavad lühise ja avatud tsirkulatsiooniga rakke.

Mooduli kriitiline osa on jooteühendused. Need koosnevad paljudest üksteisega ühendatud materjalidest, sealhulgas jootest, siibrist, paelast ja ränivahvlist. Nendel materjalidel on erinevad termilised ja mehaanilised omadused. Liimimisel arenevad koost välja termomehaanilise töökindluse probleemid, mis on tingitud liimitud materjalide soojuspaisumisteguri erinevustest. Jootur tagab ühenduse elektroodi ja lindi vahel.

PV-mooduli temperatuur varieerub sõltuvalt kohalikest ilmastikutingimustest, mis omakorda mõjutab jooteühenduse halvenemise kiirust. Eluea prognoosimise modelleerimise analüüsis teatati, et erinevat tüüpi ilmastikutingimustes asuvate sama tüüpi c-Si PV-moodulite puhul oli eluaeg lühem kõrbes, millele järgnes troopikas.

Ehkki jootmisprotsesside kasutamine päikeseelementide kokkupanemisel PV-moodulites on selle eeliseks, et saadakse tooteid, millel on kõrge töökindlus minimaalsete tootmiskuludega, toimub tehnoloogia kõrgel temperatuuril, millel on loomulik potentsiaal tekitada ränivahvlis nihkepinget. Jooteühenduste rike ja lagunemine põhjustab järjestikuse vastupanu suurenemist, mis põhjustab energia kaotust.

Moodulite eluajad

Kõik ülaltoodud vead aitavad kaasa PV-paneelide lagunemisele ja lõplikule rikkele. Fotoelektrimoodulid on kavandatud kestma vähemalt 20 aastat ja uued moodulid läbivad kiirendatud testimisprogrammid, mis jäljendavad kuumuse, niiskuse, temperatuuritsüklite, UV-kiirguse ja muude tegurite mõju [5]. Kohli läbiviidud testimisprogrammide tulemused on toodud joonisel 7 [7].

Joonis 7: kaubanduslike c-Si-moodulite kiirendatud vananemiskatsed [7].

PV-paneeli kasutusaja lõpuks võetakse tavaliselt normaliseeritud võimsustaset 0,8. Katsekõveratest on näha, et paneelid halvenevad pärast seda punkti kiiresti.

1990. aastate alguses olid tüüpilised kümneaastased garantiid. Täna pakuvad peaaegu kõik tootjad 20 kuni 25-aastast garantiid. Kuid 25-aastane garantii ei tähenda projekti kaitset. Esitada tuleb järgmised küsimused:

• Kas probleemide ilmnemisel on moodulitarnija umbes 15 aasta pärast?

• Kas tarnija rahastab tingdeponeerimise kontot, et tagada projekti kaitsmine selle kaotamise korral?

• Kas tarnija tugineb pikaajalise vastupidavuse kohta väidete esitamisel lihtsalt IEC kvalifikatsioonitestidele?

• Kui tarnija on olnud alles viis aastat, kuidas saab ta väita, et moodulid kestavad 25 aastat?

Garantiide pikkuse suurendamine on paljutõotav, kuid investor või arendaja peab seda pakkuva ettevõtte hoolikalt üle vaatama [4].

Viited

[1] IEA: „ Ülevaade fotogalvaaniliste moodulite tõrgetest”, 13. ülesande väline lõpparuanne, IEA-PVPS, märts 2014.
[2] Dupont: „ Juhend päikesepaneelide puuduste mõistmiseks: valmistamisest moodustatud mooduliteni ”, www.dupont.com
[3] M Kontges jt: “ Kristalliliste fotogalvaaniliste moodulite pragude statistika ”, 26. fotogalvaaniline päikeseenergia konverents ja näitus, 2011.
[4] E Fitz: “ PV-moodulite töökindluse põhiline mõju ”, taastuvenergia maailm, märts 2011.
[5] J Wolgemuth jt: “ Kristalse Si-moodulite tõrkerežiimid ”, PV-moodulite töökindluse seminar 2010.
[6] M Zarmai: „ Ülevaade silikoonist päikesepatareide fotoelektriliste moodulite täiustatud koostisega sidumistehnoloogiatest ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl jt: PV usaldusväärsus (II klaster): Saksamaa nelja-aastase ühisprojekti tulemused - I osa, kiirendatud vananemistestide tulemused ja lagunemise modelleerimine, 25. EL-PVSEC, 2010.