Napelemes modul modulok hibái és meghibásodásai

Forrás: ee.co.za

A modern napelemes PV-készülékeket úgy tervezték, hogy a termék teljes élettartama alatt megbízhatóan működjenek. Ennek ellenére a gyártási hibák és korai hibák továbbra is előfordulhatnak, amelyek befolyásolhatják a termék teljesítményét.

A megbízhatóságot és a minőséget a modern napelemes PV berendezésekhez tervezték és építették be. A tömegtermelési technikák, bár ellenőrzött és a rossz minőség-ellenőrzés továbbra is gyártási hibákat okozhatnak a termékben, és a helyszíni telepítés és a szállítás károsodásokat okozhat, amelyek mindegyike lerövidítheti a termékek élettartamát.

A fotovoltaikus rendszerek költségeinek csökkentésének egyik kulcstényezője a fotovoltaikus modulok megbízhatóságának és élettartamának növelése. A mai statisztikák azt mutatják, hogy a kristályos szilícium-PV-modulok névleges teljesítményének romlási sebessége 0,8% / év [1]. Noha a modern termékeket úgy tervezték, hogy magasabb színvonalú anyagokat és gépesített gyártást használják, az árverseny eredményeként a panelek gyártásában vékonyabb és kevesebb anyag került felhasználásra. Ezenkívül bizonyítékok vannak arra, hogy egyes gyártók visszatértek alacsonyabb minőségű anyagok felhasználására az alacsonyabb árak elérése érdekében.

A panelek idő előtti meghibásodása jelentős pénzügyi következményekkel járhat a fotovoltaikus berendezések telepítése szempontjából, mivel az életciklus fő költsége a tőke. A PV modul meghibásodása olyan hatás, amely vagy lerontja a modul teljesítményét, amelyet a normál működés nem fordít vissza, vagy biztonsági problémát vet fel.

A tisztán kozmetikai kérdés, amelynek ezen következményekkel sem rendelkezik, nem tekinthető PV modul meghibásodásának. A PV modul meghibásodása a garancia szempontjából releváns, ha olyan körülmények között fordul elő, amelyeket a modul általában tapasztal [1].

A termékek meghibásodásait általában a következő három kategóriába sorolják:

• Csecsemő kudarcai

• Középkori kudarcok

• Kopáshibák

Az 1. ábra példákat mutat a PV modulok e három típusú hibájára. Ezen modulhibák mellett sok PV modul közvetlenül a telepítés után fény indukálta teljesítménycsökkenést (LID) mutat. A LID olyan hibatípus, amely bármilyen módon előfordul, és a PV modul címkéjére nyomtatott névleges teljesítményt általában a hiba miatt várható szabványos telített teljesítményveszteséggel módosítják.

1. ábra: Három tipikus hibaforgatókönyv ostya alapú kristályos fotoelektromos modulokhoz [1].

LID: Fény okozta lebomlás
PID: Potenciálisan indukált lebomlás
EVA: etilén-vinil-acetát
J-box: csatlakozódoboz

Hiba és hiba előfordulása

A panelek teljes élettartama alatt az üzem közbeni üzemzavarról nem állnak rendelkezésre részletes tanulmányok, mivel a legtöbb telepítés nemrégiben történt, és a szállítók vonakodnak közzétenni ezeket az adatokat. A csecsemők mortalitásáról, azaz a telepítés meghiúsulásáról szóló jelentések az összes telepített panel 1–2% -át mutatják [3]. Számos szimulációs tanulmányt végeztek gyorsított élettartammal, de korlátozott számú panelen.

A BP Solar a Solarex c-Si panelek esetében nyolc éves időszak alatt 0,13% -os hibaarányt jelentett, és a Sandia National Laboratories a terepi adatok alapján évente 0,05% -os hibaarányt jósolt [4]. Ezek azonban rövid távú korai élettartam-adatok, és a nagyléptékű létesítményeknél nem állnak rendelkezésre adatok a késői élettartam meghibásodásairól.

Súlyos hibák és hibák

A hibákat teljesítmény- és biztonsági hibatípusokra lehet osztani. A biztonsággal kapcsolatos meghibásodások anyagi károkat vagy személyi sérüléseket okozhatnak. A teljesítményhez kapcsolódó hibák a kimeneti teljesítmény veszteségéhez vagy csökkenéséhez vezetnek.

A következő területeken vannak hibák:

• Ostya vagy cellák kristályos PV termékekben

• A kapszula

• Az üveg alap

• Belső huzalozás

• Keret és szerelvények

• Az amorf rétegek amorf PV-ben

Ostya vagy cellák hibái

A cella hatékonyságának romlása a cella teljes élettartama alatt normális, és nem tekinthető hibának vagy meghibásodásnak, kivéve, ha a bomlás sebessége meghaladja a normál határértékeket. Az ostya vagy a cellák legtöbb hibája az ostya repedése, valamint a csatlakozások és a vezetékek károsodása. Kisebb hibák a tükröződésmentes bevonat (ARC) károsodásából és a cellák korróziójából származnak. Az amorf napelemek fény által indukált lebomlása ismert hatás, és nem feltétlenül tekinthető hibának. A potenciálisan indukált lebomlás új jelenség, amely a PV rendszerekben alkalmazott egyre magasabb feszültségek eredményeként jelent meg.

Fényvisszaverődésmentes bevonat laminálása

Egy tükröződésmentes bevonat (ARC) növeli a fény elfogását, és ezáltal növeli a modul teljesítményének átalakítását. Az ARC-lamináció akkor fordul elő, amikor a visszaverődésgátló bevonat jön le a cella szilícium felületéről. Ez nem jelent súlyos hibát, kivéve, ha sok a laminálás. A kutatások kimutatták, hogy az ARC tulajdonságai okozati tényezőt mutatnak a PID-ben.

A sejtek krakkolása

A PV modulok repedései mindenütt jelen vannak. A modul élettartama különböző szakaszaiban fejlődhetnek.

Különösen a gyártás során a forrasztás nagy feszültségeket indukál a cellákban. A szállítás közbeni kezelés és rezgések repedéseket idézhetnek elő vagy bővíthetnek [4]. Végül, a terepi modul végzi a szél (nyomás és rezgések) és a hó (nyomás) által okozott mechanikai terheléseket.

A mikrotöréseket a következők okozhatják vagy súlyosbíthatják:

• Gyártás

• Szállítás

• Telepítés

• Üzem közbeni terhelés (termikus és egyéb)

A kristályos ostyák mérete megnőtt és vastagsága csökkent az évek során, ezáltal fokozva a törés és repedés veszélyét. A napelemek repedései valódi probléma a fotovoltaikus modulok számára, mivel ezeket nehéz elkerülni, és eddig gyakorlatilag lehetetlen számszerűsíteni a modul hatékonyságára gyakorolt hatásaikat élettartama alatt. Pontosabban, a mikrorepedéseknek csak csekély hatása lehet az új modul teljesítményére, mindaddig, amíg a cellák különböző részei még mindig elektromosan vannak csatlakoztatva.

A modul öregedésével, valamint hő- és mechanikai terhelésnek kitéve repedések léphetnek fel. A megrepedt cellarészek ismételt relatív mozgása teljes elválasztást eredményezhet, ezáltal inaktív cellarészeket eredményezhet. Erre a különleges esetre az energiaveszteség egyértelmű értékelése lehetséges. 60 cellás, 230 W-os PV modul esetén a cellák vesztesége elfogadható, amennyiben az elvesztett rész kisebb, mint a cella területének 8% -a [3].

2. ábra: A csigapályák a sejtekben fellépő mikro-repedések miatt [1].

A mikrorepedések olyan repedések a PV-cellák szilícium-szubsztrátumában, amelyeket gyakran szabad szemmel nem lehet látni. Repedések különböző hosszúságúak és tájolódhatnak a napelemben. Az ostya szeletelése, a cellák előállítása és a beágyazási folyamat a gyártási folyamat során a fotovoltaikus cellákban repedéseket okoznak. A napelemek húrfolyamata különösen nagy kockázattal jár a repedések bevezetésekor [1].

A gyártás során a mikrorepedéseknek három különböző forrása van: mindegyiknek megvan a saját előfordulási valószínűsége:

• A cellák összekötő szalagjából induló repedéseket a forrasztási folyamat által indukált maradék feszültség okozza. Ezek a repedések gyakran a csatlakozó végén vagy kiindulási pontján helyezkednek el, mert ott van a legnagyobb fennmaradó feszültség. Ez a repedés típus a leggyakoribb.

• Az úgynevezett keresztrepedés, amelyet a gépen az ostya nyomása a gyártás során okoz.

• A cella szélétől kezdődő repedéseket az okozza, hogy a cella ütközik egy kemény tárgyhoz.

Ha a cellában repedések vannak jelen a napelemes modulban, megnő a veszélye annak, hogy a napelemes modul működése közben a rövid cellák repedései hosszabb és szélesebb repedésekké alakulhatnak ki. Ennek oka a szél vagy hóterhelés által okozott mechanikai igénybevétel, valamint a napelemes modulok hőmechanikai feszültsége, amelyet az elhaladó felhők és az időjárási viszonyok okozta hőmérsékleti ingadozások okoznak.

A mikrorepedések különböző eredetűek lehetnek, és meglehetősen „puha” kimeneteleket eredményezhetnek, mint például az érintett sejt részeinek hozamcsökkentő összetörése súlyosabb hatásokig, beleértve a rövidzárlati áram és a cella hatékonyságának csökkenését. Vizuálisan a mikrorepedések úgynevezett „csiga nyomvonalak” formájában jelentkezhetnek a sejt szerkezetén. A csigapályák - mint hosszú távú ütközési jelek - a kémiai folyamatok eredményei is lehetnek, amelyek megváltoztatják a sejt felületét és / vagy forró pontokat.

A nagyobb repedések repedési mintázatától függően a hő-, mechanikai igénybevétel és a páratartalom „halott” vagy „inaktív” cellákhoz vezethet, amelyek az érintett fotovoltaikus elem teljesítményének csökkenését okozhatják. A halott vagy inaktív cella része azt jelenti, hogy a fotovoltaikus elem ez a rész már nem járul hozzá a napelem modul teljes teljesítményéhez. Ha a fotovoltaikus elem elhalt vagy inaktív része meghaladja a teljes cella területének 8% -át, akkor ez az energiaveszteséghez vezet, amely nagyjából lineárisan növekszik az inaktív cella területével [1].

A repedések potenciálisan hosszabb működési idő alatt növekedhetnek, és így megnövelik rosszindulatú hatásaikat a PV-modul működésére és teljesítményére, potenciálisan forró pontokat is kiváltva. A nem észlelt mikrorepedések a vártnál rövidebb élettartamot eredményezhetnek. Ezek méretükben, a cellán való elhelyezkedésükben és az ütésminőségben különböznek.

Mikrorepedések észlelhetők a terepen a telepítés előtt és a projekt élettartama alatt. Különböző minőségi vizsgálati módszerek vannak a mikrorepedések azonosítására, amelyek közül az elektrolumineszcencia (EL) vagy az elektrolumineszcencia repedésdetektálás (ELCD) tesztelés az egyik legelterjedtebb módszer. Az EL-tesztelés olyan rejtett hibákat képes felismerni, amelyek korábban még nem voltak nyomon követhetők más vizsgálati módszerekkel, például infravörös (IR) képalkotással hőkamerákkal, VA-jellemzőkkel és vaku-teszteléssel [1]. Egyes gyártók a telepített panelek rendszeres ellenőrzését javasolják az élettartamuk során [3].

Beágyazási hibák

A napelem egy „szendvics”, amely különféle anyagrétegekből áll (3. ábra).

3. ábra: A PV modul alkotóelemei [2].

A kapszulázó anyagokat a következőkre használják:

• Ellenáll a hőnek, a páratartalomnak, az ultraibolya sugárzásnak és a termikus ciklusnak

• Biztosítson jó tapadást

• Optikailag csatlakoztassa az üveget a cellákhoz

• Elektromosan szigetelje az alkatrészeket

• A nedvesség bejutásának ellenőrzése, csökkentése vagy kiküszöbölése

A kapszulázáshoz a leginkább használt mmon anyag az etalin-vinil-acetát (EVA). A kapszula meghibásodása a PV modul meghibásodásához vagy károsodásához vezethet.

Tapadáshiba

Az üveg, a kapszula, az aktív rétegek és a hátsó rétegek közötti tapadás számos okból veszélybe kerülhet. A vékonyréteg és más típusú PV technológia tartalmazhat egy átlátszó vezető oxidot (TCO) vagy hasonló réteget is, amely a szomszédos üvegrétegtől delaminálhat.

Jellemzően, ha az adhézió szennyeződés (pl. Az üveg nem megfelelő tisztítása) vagy környezeti tényezők miatt sérül, akkor lamináció lép fel, amelyet nedvesség behatolása és korrózió követ. Az optikai úton lévő interfészeknél a késleltetés optikai reflexiót eredményez (pl. Akár 4% -ig, teljesítményveszteség egyetlen levegő / polimer interfésznél), és ezt követő áram (teljesítmény) veszteséget okozhat a modulokból [1].

Ecetsav előállítása

Az EVA-lemezek reagálnak a nedvességgel, ecetsavvá alakulva, amely felgyorsítja a PV-modul belső alkatrészeinek korróziós folyamatát. Ez az EVA öregedési folyamatának is következménye lehet, és megtámadhatja az ezüst kontaktusokat, és befolyásolhatja a sejttermelést. A permeábilis hátlapok esetében ez nem jelent problémát, mivel az ecetsav kijuthat. Átjárhatatlan hátlapok esetében ez a hiba azonban idővel jelentős energiaveszteségeket okozhat.

Encapsulant elszíneződés

Ennek eredményeként némi átviteli veszteség következik be, és ezáltal csökken a teljesítmény. A elszíneződést az oxigén fehérítése okozza, így egy lélegző hátlapon a sejtek középpontja elszíneződik, míg a külső gyűrűk tiszta maradnak. Ennek oka lehet az EVA készítményben a rossz térhálósodás és / vagy adalékanyagok.

4. ábra: elszíneződött EVA [5].

Koncentráció nélkül öt-tíz évig tart, amíg elszíneződést észlel, és hosszabb ideig tart, hogy észrevehetően csökkenjen a kimeneti teljesítmény. Nem az EVA elszíneződik, hanem a készítmény adalékanyagai. Ez a hiba megakadályozhatja, hogy némi fény elérje a panelt [5].

rétegenkénti leválás

A leválasztás a kapszula elkülönítése az üvegből vagy a cellából. A leválasztás lehet a szupersztratátum (üveg), a szubsztrátum (a hátlap) és a beágyazószer között, vagy a beágyazószer és a cellák között. Az elülső üvegből való lerakódás a gyenge EVA-tapadás vagy az üvegtisztítási eljárások miatt a gyártási folyamat során jelentkezhet. Ez a hiba megakadályozhatja, hogy némi fény elérje a panelt. A probléma súlyosabbá válhat, ha a páratartalom felhalmozódik az üregbe és rövidzárlatot hoz létre a forrasztóhuzalok közelében.

A sejtből való leválasztást valószínűleg a sejtfelület rossz keresztkötése vagy szennyeződése okozza. Ez a hiba súlyos lehet, mivel amikor légbuborék képződik a laminátumban, fennáll a nedvesség felhalmozódásának és rövidzárlatának lehetősége. A beszorulás a betétről akkor fordul elő, ha az EVA nem tapadott jól a betéthez a gyártás során.

Az új utak és az azt követő korrózió a lamináció után csökkentik a modul teljesítményét, de nem jelentik automatikusan biztonsági problémát. A hátlap leválasztása azonban lehetővé teheti az aktív elektromos alkatrészeknek való kitettség lehetőségét. Ha a modult üveg elülső és hátlapokkal gyártják, akkor további feszültségek előfordulhatnak, amelyek elősegítik a rétegződést és / vagy az üveg törését.

Háttérlap hibái

A modul hátlapja mind az elektronikus alkatrészek védelmét szolgálja a közvetlen környezeti hatásoktól, mind pedig a biztonságos üzemeltetést magas DC feszültségek esetén. A hátlapok üvegből vagy polimerekből állhatnak, és tartalmazhatnak fémfóliát.

5. ábra: Kiemelés (Rycroft).

A hátsó lap általában egy laminált szerkezetből áll, amely rendkívül stabil és UV-álló polimerrel rendelkezik, gyakran kívülről egy fluorpolimerrel, közvetlenül a környezetnek kitéve, egy PET belső réteggel, amelyet a kapszulázó réteg követ [1]. .

Ha hátlap helyett hátsó üveget használ, az meghibásodhat. Ha a modult vékonyréteg-eszközként építik fel a hátlapon (CIGS hordozó), akkor ez jelentős biztonsági veszélyt jelent a modul jelentős vagy, valószínűbb módon, teljes energiaveszteségén túl. Lehet, hogy egy kis rés van a repedések mentén, és lehet olyan feszültség, amely képes elektromos ív előállítására és fenntartására.

Ha ez egy bypass-dióda meghibásodásával jár, akkor a teljes rendszerfeszültség a résen át lehet jelen, és így nagy és tartós ív alakulhat ki, amely valószínűleg megolvadja az üveget, esetleg tüzet okozva. Ha azonban egy üveg hátlap leszakadna egy tipikus kristályos Si modulban, akkor még egy réteg bevonatképző anyagot biztosítana az elektromos szigetelés kis mértékű biztosításához.

Az EVA-tól való leválasztás az EVA és a hátlap közötti rossz tapadás miatt, vagy ha a hátlap tapadórétegét károsítja az UV expozíció vagy a hőmérséklet-emelkedés.

Az elülső oldal sárgulását a polimer lebomlása okozza, amely elősegíti az adott hátlapnak a kapszulához való tapadását. A sárgás gyakran romló mechanikai tulajdonságokkal jár. Ezzel a hibával valószínű, hogy a hátlap végül lemerül és / vagy repedhet [3].

A levegő sárgása az UV-érzékenység jele, amelyet a magas hőmérsékletek felgyorsíthatnak. Ez a hiba néhány hátlapon is előfordul termikus lebomlás eredményeként. A sárgás gyakran romló mechanikai tulajdonságokkal jár. Ezzel a hibával valószínű, hogy a hátlap végül lemerül és / vagy repedhet [3].

Forró pontok

A hőpontfűtés egy modulban akkor fordul elő, amikor működési árama meghaladja az árnyékolt vagy hibás cella vagy cellacsoport csökkentett rövidzárlati áramát (I _sc ). Amikor ilyen állapot fordul elő, az érintett sejtet vagy sejtcsoportot fordított torzításra kényszerítik, és az energiának el kell oszlania.

6. ábra: Kristályos szilikon napelemek, amelyek sorba vannak kapcsolva fülező szalaggal [6].

Ha az energiaeloszlás elég nagy vagy eléggé lokalizált, a fordítottan elõrefeszített cella túlhevülhet, és forrasztás és / vagy szilícium megolvadhat, és a kapszula és a hátlap romolhat [5].

Vezető szalag és ízületek meghibásodásai

A napelemek két alapelemmel vannak felszerelve, az első és a hátsó érintkezőkkel, amelyek lehetővé teszik az áram továbbítását a külső áramkörbe. Az áramot az elülső és a hátsó érintkezőkhez forrasztott buszcsíkok továbbítják. A szalag meghibásodása a kimeneti teljesítmény veszteségéhez kapcsolódik. Az összekapcsolódás megszakadása hőtágulás és összehúzódás, vagy ismételt mechanikai igénybevétel következtében. Ráadásul a vastagabb szalag vagy szalagok hozzájárulnak az összekapcsolások megszakításához, és rövidzárlatos cellákat és nyitott áramkörű cellákat eredményeznek.

A modul kritikus része a forrasztott összeköttetések. Számos összeragasztott anyagból áll, beleértve a forrasztást, a sínrúdot, a szalagot és a szilícium ostyát. Ezeknek az anyagoknak különböző termikus és mechanikai tulajdonságai vannak. A ragasztás során a szerelvény hőmechanikai megbízhatósággal jár, amelyet a kötött anyagok hőtágulási együtthatójának különbségei okoznak. A forrasztás kapcsolatot teremt az elektróda és a szalag között.

A PV modul hőmérséklete a helyi időjárástól függően változik, ami viszont befolyásolja a forrasztás összekapcsolódásának romlását. Egy életre szóló előrejelzési modellezési elemzés szerint a különböző időjárási körülmények között elhelyezett, azonos típusú c-Si PV modulok esetében a legrövidebb az élettartama a sivatagban, amelyet a trópusokon követtek.

Annak ellenére, hogy a forrasztási eljárásnak a napelemek összeszerelésénél a PV-modulokban előnye van, hogy olyan termékeket nyernek, amelyek magas megbízhatósággal rendelkeznek, minimális gyártási költségek mellett, a technológia magas hőmérsékleten történik, azzal jellemezve, hogy a szilícium ostya nyírófeszültségét okozza. A forrasztási hézagok meghibásodása és lebomlása megnöveli a soros ellenállást, ami az energiavesztéshez vezet.

A modul élettartama

Az összes fenti hiba hozzájárul a PV panelek leromlásához és végső meghibásodásához. A PV modulokat úgy tervezték, hogy legalább 20 éve tartsanak, és az új modulok gyorsított tesztprogramokon mennek keresztül, amelyek szimulálják a hő, páratartalom, hőmérsékleti ciklus, UV sugárzás és egyéb tényezők hatásait [5]. A Kohl által végzett tesztprogramok eredményeit a 7. ábra mutatja [7].

7. ábra: Gyorsított öregedési tesztek kereskedelmi c-Si modulokon [7].

A 0,8 normalizált teljesítményszintet általában a PV panel élettartamának végén kell figyelembe venni. A tesztgörbékből látható, hogy a panelek e pont után gyorsan romlanak.

Az 1990-es évek elején a tízéves garancia volt jellemző. Manapság szinte minden gyártó 20-25 éves jótállást kínál. A 25 éves garancia azonban nem jelenti a projekt védelmét. Fel kell tennie a következő kérdéseket:

• 15 év múlva lesz a modul szállítója, amikor problémák merülnek fel?

• Finanszírozza-e a szállító letéti számlát annak biztosítása érdekében, hogy ha ez megszűnik, a projekt védett legyen?

• A szállító egyszerűen az IEC minősítési teszteken támaszkodik a hosszú távú tartósságra vonatkozó állítások megfogalmazására?

• Ha a szállító csak öt éve működik, hogyan állíthatja, hogy a modulok 25 évig tartanak fenn?

A jótállás hosszabbodása ígéretes, de a befektetőnek vagy a fejlesztőnek gondosan felül kell vizsgálnia az azt nyújtó társaságot [4].

Irodalom

[1] IEA: „ A fotovoltaikus modulok meghibásodásainak áttekintése ”, 13. feladat külső zárójelentése, IEA-PVPS, 2014. március.
[2] Dupont: „ Útmutató a napelemek hibáinak megértéséhez: a gyártástól az átalakított modulokig ”, www.dupont.com
[3] M Kontges és társai: „ A kristályos fotoelektromos modulok repedési statisztikája ”, 26. európai fotovoltaikus napenergia konferencia és kiállítás, 2011.
[4] E Fitz: „ A PV-modul megbízhatóságának alsó hatása ”, Megújulóenergia-világ, 2011. március.
[5] J Wolgemuth és munkatársai: „ A kristályos Si modulok üzemmódjai ”, PV modul megbízhatósági műhely, 2010.
[6] M Zarmai: „ Összekapcsolási technológiák áttekintése a továbbfejlesztett kristályos szilícium napelemes fotovoltaikus modulok összeállításához ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl és mtsai: PV megbízhatóság (II. Klaszter): Német négyéves közös projekt eredményei - I. rész, gyorsított öregedési tesztek és a lebomlás modellezése, 25. EU-PVSEC, 2010.