Solar PV-modulfeil og svikt

Kilde: ee.co.za

Moderne solcelleanlegg er designet for pålitelig drift over hele produktets levetid. Til tross for denne fabrikasjonsfeilen og for tidlige feil oppstår det fortsatt som kan påvirke ytelsen til et produkt.

Pålitelighet og kvalitet er designet og innebygd i moderne PV-utstyr. Selv om masseproduksjonsteknikker, selv om de er kontrollert og dårlig kvalitetskontroll, fremdeles kan føre til produksjonsfeil i produktet, og feltinstallasjon så vel som transport kan føre til skader, som alle kan forkorte levetiden til produktene.

En sentral faktor for å redusere kostnadene for solcelleanlegg er å øke påliteligheten og levetiden for PV-modulene. Dagens statistikk viser nedbrytningshastigheter for den nominelle effekten for krystallinsk silisium PV-moduler på 0,8% / år [1]. Selv om moderne produkter er designet for å gjøre bruk av materialer av høyere kvalitet og mekanisert produksjon, har priskonkurranse resultert i at det blir brukt tynnere og mindre materiale i fremstilling av paneler. I tillegg er det bevis på at noen produsenter har gått tilbake til å bruke materialer av lavere kvalitet for å senke prisene.

For tidlig svikt i paneler kan ha en stor økonomisk implikasjon for PV-installasjoner, ettersom den største livssykluskostnaden er kapital. En PV-modulfeil er en effekt som enten ødelegger modulkraften som ikke reverseres ved normal drift eller skaper et sikkerhetsproblem.

Et rent kosmetisk spørsmål som ikke har noen av disse konsekvensene, regnes ikke som en PV-modulfeil. En PV-modulfeil er relevant for garantien når den oppstår under forhold som modulen normalt opplever [1].

Vanligvis er svikt i produktene delt inn i følgende tre kategorier:

• Spedbarnssvikt

• Midtlivssvikt

• Slitasjefeil

Fig. 1 viser eksempler for disse tre typer feil for PV-moduler. Foruten disse modulfeilene, viser mange PV-moduler lysindusert strømforringelse (LID) umiddelbart etter installasjon. LID-en er en feiltype som forekommer uansett, og den nominelle effekten som er trykt på PV-modulens etikett blir vanligvis justert av det forventede standardiserte mettede effekttapet på grunn av denne feilen.

Fig. 1: Tre typiske feilscenarier for platebaserte krystallinske fotovoltaiske moduler [1].

LID: Lysindusert nedbrytning
PID: Potensiell indusert degradering
EVA: Etylenvinylacetat
J-box: Koblingsboks

Feil og forekomst av feil

Detaljerte studier av svikt i drift over hele panelenes levetid er ikke tilgjengelige, ettersom de fleste installasjoner er nylig, og leverandørene er motvillige til å gi ut slike tall. Rapporter om spedbarnsdødelighetsstudier, dvs. svikt ved installasjon, gir tall mellom 1 og 2% av alle installerte paneler [3]. Flere simuleringsstudier med akselerert levetid er utført, men på et begrenset antall paneler.

BP Solar har rapportert en sviktfrekvens på 0,13% over en åtteårsperiode for Solarex c-Si-paneler, og Sandia National Laboratories har spådd en sviktfrekvens på 0,05% per år basert på feltdata [4]. Dette er imidlertid kortvarige tall for tidlig livstid, og det er ikke tilgjengelige tall for forsinket livssvikt for store installasjoner.

Store feil og feil

Feil kan deles inn i ytelses- og sikkerhetsrelaterte feiltyper. Sikkerhetsrelaterte feil kan føre til personskade eller personskade. Prestasjonsrelaterte feil resulterer i tap eller fall i utgangseffekten.

Mangler oppstår i følgende områder:

• Skivene eller cellene i krystallinske PV-produkter

• Innkapslingen

• Glassbunnen

• Intern kabling

• Ramme og beslag

• De amorfe lagene i den amorfe PV

Feil i wafer eller celle

Forringelse av effektiviteten til cellen er normal i løpet av cellens levetid og blir ikke sett på som en feil eller feil med mindre nedbrytningshastigheten overstiger de normale grensene. Flertallet av skiven eller cellens feil vil være sprekker i skiven og skade på tilkoblinger og ledere. Mindre feil oppstår som følge av ARC-skader (anti-reflective coating) og cellekorrosjon. Lysindusert nedbrytning i amorfe solcellepaneler er en kjent effekt og anses ikke nødvendigvis som en fiasko. Potensiell indusert nedbrytning er et nytt fenomen som har vist seg som et resultat av stadig høyere spenninger brukt i PV-systemer.

Anti-reflekterende beleggdelaminering

Et antirefleksivt belegg (ARC) øker fangsten av lys og øker derfor modulenes kraftkonvertering. ARC-delaminering oppstår når det antireflekterende belegget kommer av cellens silisiumoverflate. Dette er ikke en alvorlig mangel med mindre det er mye delaminering [2]. Forskning har vist at ARC-egenskaper er en årsaksfaktor i PID.

Cell sprekker

Sprekker i PV-moduler er allestedsnærværende. De kan utvikle seg i forskjellige stadier av modulens levetid.

Spesielt under produksjon produserer lodding høye belastninger i cellene. Håndtering og vibrasjoner i transport kan indusere eller utvide sprekker [4]. Endelig opplever en modul i feltet mekaniske belastninger på grunn av vind (trykk og vibrasjoner) og snø (trykk).

Mikro-sprekker kan være forårsaket eller forverret av:

• Produksjon

• Transportere

• Installasjon

• Spenning i drift (termisk og ellers)

Krystallinske skiver har økt i størrelse og redusert i tykkelse med årene, noe som øker potensialet for brudd og sprekker. Sprekker i solceller er et ekte problem for PV-moduler, da de er vanskelig å unngå og frem til nå i utgangspunktet umulig å tallfeste i hvilken innvirkning de har på effektiviteten til modulen i løpet av dens levetid. Spesielt kan tilstedeværelsen av mikrosprekker bare ha en marginal effekt på kraften til en ny modul, så lenge de forskjellige delene av cellene fremdeles er elektrisk tilkoblet.

Etter hvert som modulen eldes og utsettes for termiske og mekaniske påkjenninger, kan sprekker bli introdusert. En gjentatt relativ bevegelse av de sprukne celledeler kan føre til en fullstendig separasjon, og dermed resultere i inaktive celledeler. For denne spesielle saken er en klar vurdering av strømtapet mulig. For en 60-celle, 230 W PV-modul er tapet av celledeler akseptabelt så lenge den tapte delen er mindre enn 8% av celleområdet [3].

Fig. 2: Sneglespor på grunn av mikrosprekker i celler [1].

Mikro-sprekker er sprekker i silisiumsubstratet til PV-cellene som ofte ikke kan sees med det blotte øye. Sprekker kan dannes i forskjellige lengder og orientering i en solcelle. Skiveskiven, celleproduksjonsstrenger og innebygningsprosessen under produksjonsprosessen forårsaker cellesprekker i fotovoltaiske celler. Strengingsprosessen til solcellene har en særlig høy risiko for å innføre sprekker [1].

Det er tre forskjellige kilder til mikrosprekker under produksjonen; hver har sin egen forekomst sannsynlighet:

• Sprekker som starter fra celleforbindelsesbåndet er forårsaket av restspenningen indusert av loddeprosessen. Disse sprekkene er ofte lokalisert ved enden eller startpunktet til kontakten, fordi det er størst restspenning. Denne sprekketypen er den hyppigste.

• Den såkalte cross crack, som er forårsaket av maskiner som trykker på skiven under produksjonen.

• Sprekker som starter fra kanten av cellen er forårsaket av at cellen treffer mot en hard gjenstand.

Når cellesprekker er til stede i en solcellemodul, er det en økt risiko for at korte cellesprekker under drift av solcellemodulen kan utvikle seg til lengre og bredere sprekker. Dette er på grunn av mekanisk belastning forårsaket av vind- eller snøbelastning og termomekanisk belastning på solcellemodulene på grunn av temperaturvariasjoner forårsaket av passerende skyer og variasjoner i vær.

Mikro-sprekker kan ha forskjellige opphav og resultere i ganske "myke" utfall som for eksempel avkastningsreduserende knusing av deler av den berørte cellen til mer alvorlige påvirkninger som involverer reduksjon i kortslutningsstrømmen og celleeffektiviteten. Visuelt kan mikrosprekker vises i form av såkalte "sneglespor" på cellestrukturen. Imidlertid kan sneglestier - som et langsiktig påvirkningsskilt - også være et resultat av kjemisk prosess som får overflaten til cellen til å endre seg og / eller hot spots.

Avhengig av sprekkmønsteret til større sprekker, kan den termiske, mekaniske belastningen og fuktigheten føre til "døde" eller "inaktive" celledeler som forårsaker tap av effekt fra den berørte fotovoltaiske cellen. En død eller inaktiv celledel betyr at denne bestemte delen av den solcellemodellen ikke lenger bidrar til solenergimodulens totale effekt. Når denne døde eller inaktive delen av den fotovoltaiske cellen er større enn 8% av det totale celleområdet, vil det føre til et krafttap som øker omtrent lineært med det inaktive celleområdet [1].

Sprekker vokser potensielt over en lengre driftstid og utvider dermed sin ondsinnede innvirkning på funksjonaliteten og ytelsen til en PV-modul, og potensielt utløser hot spots også. Udetekterte, mikrosprekker kan føre til en mindre levetid enn felt forventet. De avviker i størrelse, plassering på cellen og påvirkningskvalitet.

Mikro-sprekker kan oppdages i feltet før installasjon og over hele prosjektets levetid. Det er forskjellige metoder for kvalitetstesting for å identifisere mikrobrekker hvor elektroluminescens (EL) eller elektroluminescens sprekkdeteksjon (ELCD) testing er en av de mest anvendte metodene. EL-testing kan oppdage skjulte feil som før var ikke sporbare av andre testmetoder, for eksempel infrarød (IR) avbildning med termiske kameraer, VA-karakteristikk og flash-testing [1]. Noen produsenter anbefaler regelmessig inspeksjon av installerte paneler i løpet av levetiden [3].

Innkapslingsfeil

Et solcellepanel er en "sandwich" som består av forskjellige lag med materialer (fig. 3).

Fig. 3: Komponenter til en PV-modul [2].

Innkapslingsmaterialer brukes til:

• Motstå varme, fuktighet, UV-stråling og termisk sykling

• Sørg for god vedheft

• Par glass med celler

• Elektrisk isoler komponenter

• Kontroller, reduser eller fjern fuktinntrenging

Det mest co mmon-materiale som brukes for innkapsling er ethalinvinylacetat (EVA). Feil i innkapslingsmidlet kan føre til svikt eller forringelse av PV-modulen.

Vedheftssvikt

Vedheftet mellom glasset, innkapslingsmiddelet, aktive lagene og baklagene kan bli kompromittert av mange grunner. Tynnfilm og andre typer PV-teknologi kan også inneholde et transparent ledende oksid (TCO) eller lignende lag som kan delaminere fra et tilstøtende glasslag.

Vanligvis, hvis vedheftet blir skadet på grunn av forurensning (f.eks. Feilaktig rengjøring av glasset) eller miljøfaktorer, vil delaminering oppstå, etterfulgt av fuktinntrenging og korrosjon. Delaminering ved grensesnitt i den optiske banen vil resultere i optisk refleksjon (f.eks. Opptil 4%, effekttap, ved et enkelt luft / polymer-grensesnitt) og påfølgende tap av strøm (strøm) fra modulene [1].

Eddiksyreproduksjon

EVA-ark reagerer med fuktigheten og danner eddiksyre som fremskynder korrosjonsprosessen til den indre komponenten i PV-modulkomponenter. Dette kan også være et resultat av aldringsprosessen ved EVA, og kan angripe sølvkontakter og påvirke celleproduksjonen. For gjennomtrengelige laken er dette ikke et problem fordi eddiksyre kan slippe ut. For ugjennomtrengelige bakark kan imidlertid denne defekten forårsake betydelige strømtap over tid.

Misfarging av innkapslingsmiddel

Dette vil resultere i noe tap av overføring og derfor redusert strøm. Misfargingen skyldes bleking av oksygen, så med et pustende bakark misfarges sentrum av celler mens utvendige ringer forblir klare. Dette kan oppstå på grunn av dårlig tverrbinding og / eller tilsetningsstoffer i EVA-formuleringen.

Fig. 4: Misfarget EVA [5].

Uten konsentrasjon tar det fem til ti år å se misfarging og lenger tid å starte betydelig reduksjon av effekt. Det er ikke selve EVA som misfarger, men tilsetningsstoffer i formuleringen. Denne feilen kan forhindre at noe lys når panelet [5].

delaminering

Delaminering er separasjonen av innkapslingsmidlet fra glasset eller cellen. Delaminering kan være mellom superstrat (glass), underlag (bakark) og innkapslingsmiddel eller mellom innkapslingsmiddel og celler. Delaminering fra det fremre glasset kan oppstå på grunn av dårlig EVA-vedheft eller dårlig rengjøringsprosedyre for glass under fremstillingsprosessen. Denne feilen kan forhindre at noe lys når panelet. Problemet kan bli mer alvorlig hvis fuktighet samler seg i tomrommet og skaper kortslutninger nær loddetrådene.

Delaminering fra cellen er mest sannsynlig forårsaket av dårlig tverrbinding eller forurensning av celleoverflaten. Denne feilen kan være alvorlig, fordi når det opprettes en luftboble i laminatet, er det muligheten for luftfuktighet og kortslutning. Delaminering fra innsatsen skjer hvis EVA ikke kleber godt til innsatsen under fabrikasjon.

De nye traseene og påfølgende korrosjon etter delaminering reduserer modulens ytelse, men utgjør ikke automatisk et sikkerhetsproblem. Delaminering av bakarket kan imidlertid muliggjøre eksponering for aktive elektriske komponenter. Når en modul er konstruert med glass foran og bak, kan det være ekstra spenninger som forbedrer delaminering og / eller glassbrudd.

Feil på baksiden

Baksiden av en modul tjener både til å beskytte elektroniske komponenter mot direkte eksponering for miljøet og for å gi sikker drift i nærvær av høye likespenninger. Bakarkene kan være sammensatt av glass eller polymerer, og kan inneholde en metallfolie.

Fig. 5: Delaminering (Rycroft).

Oftest består en bakside av en laminatstruktur med en meget stabil og UV-bestandig polymer, ofte en fluorpolymer på utsiden, direkte utsatt for miljøet, et indre lag av PET, etterfulgt av innkapslingslaget [1] .

Når et bakre glass brukes i stedet for et bakark, kan det mislykkes ved å gå i stykker. Hvis modulen er konstruert som en tynnfilminnretning på bakarket (underlag CIGS), utgjør dette en betydelig sikkerhetsfare i tillegg til betydelig eller, mer sannsynlig, fullstendig strømtap for den modulen. Det kan være en liten spalte langs sprekkene og litt spenning som er i stand til å produsere og opprettholde en elektrisk lysbue.

Hvis dette skjer i forbindelse med svikt i en bypass-diode, kan hele systemspenningen være til stede over gapet og skape en stor og vedvarende bue som sannsynligvis vil smelte glass, eventuelt starte en brann. Imidlertid, hvis et glass-bakark skulle gå i stykker i en typisk krystallinsk Si-modul, ville det fortsatt være et lag med innkapslingsmiddel for å gi et lite mål for elektrisk isolering.

Delaminering fra EVA kan oppstå på grunn av dårlig vedheft mellom EVA og bakarket, eller hvis heftlaget på bakarket er skadet av UV-eksponering eller en temperaturøkning.

Gulning på forsiden er forårsaket av en nedbrytning av polymeren som brukes for å fremme vedheftet av det spesifikke bakarket til innkapslingsmidlet. Gulning er ofte forbundet med forverrede mekaniske egenskaper. Med denne defekten er det sannsynlig at bakarket etter hvert kan delaminere og / eller sprekke [3].

Gulning på luftsiden er et tegn på UV-følsomhet som kan akselereres av høye temperaturer. Denne defekten oppstår også i noen bakark som et resultat av termisk nedbrytning. Gulning er ofte forbundet med forverrede mekaniske egenskaper. Med denne defekten er det sannsynlig at bakarket etter hvert kan delaminere og / eller sprekke [3].

Hot spots

Oppvarming av varme punkter oppstår i en modul når driftsstrømmen overstiger den reduserte kortslutningsstrømmen (I _sc ) til en skyggelagt eller mangelfull celle eller en gruppe celler. Når en slik tilstand oppstår, blir den berørte cellen eller gruppen av celler tvunget til omvendt skjevhet og må spre kraft.

Fig. 6: Krystallinske silisiumsolceller sammenkoblet i serie med flikbånd [6].

Hvis kraftspredningen er høy nok eller lokalisert nok, kan den omvendte partiske cellen overopphetes, noe som resulterer i smelting av lodd og / eller silisium og forringelse av innkapslingsmidlet og bakarket [5].

Ledningsbånd og leddsvikt

Solceller er utstyrt med to grunnleggende elementer, front- og bakkontaktene, slik at strøm kan leveres til den eksterne kretsen. Strøm føres av bussstrimler som er loddet til kontaktene foran og bak. En feil i strengbåndet er assosiert med tap av utgangseffekt. Samtrafikkbrudd oppstår som et resultat av termisk ekspansjon og sammentrekning eller gjentatt mekanisk belastning. Dessuten bidrar tykkere bånd eller knekk i bånd til brudd på sammenkoblinger, og resulterer i kortsluttede celler og åpne cirkulerte celler.

En kritisk del av modulen er loddeforbindelser. De består av mange materialer som er bundet sammen, inkludert lodding, busstang, bånd og silisiumskive. Disse materialene har forskjellige termiske og mekaniske egenskaper. Ved liming utvikler enheten termo-mekaniske pålitelighetsproblemer som er forårsaket av forskjeller i de bundne materialenes termiske ekspansjonskoeffisient. Loddet gir en forbindelse mellom elektroden og båndet.

PV-modulens temperatur varierer avhengig av lokalt vær som igjen påvirker frekvensen av nedbrytning av loddeforbindelsen. I en levetidsmodelleringsanalyse ble det rapportert at for samme type c-Si PV-moduler lokalisert i forskjellige værforhold, var levetiden kortest i en ørken etterfulgt av de i tropene.

Selv om bruken av loddeprosess ved montering av solceller i PV-moduler har fordelen av å gi produkter som har høy pålitelighet til minimale produksjonskostnader, oppstår teknologien ved høy temperatur med iboende potensiale for å produsere skjærspenning i silisiumskiven. Feil og nedbrytning av loddefuger fører til en økning i seriemotstand, noe som fører til tap av kraft.

Modulens levetid

Alle de ovennevnte feilene bidrar til nedbrytning og endelig svikt av PV-paneler. PV-moduler er designet for å vare i 20 år eller mer, og nye moduler gjennomgår akselererte testprogrammer som simulerer effekten av varme, fuktighet, temperatursykling, UV-stråling og andre faktorer [5]. Resultatene fra testprogrammer utført av Kohl er vist i fig. 7 [7].

Fig. 7: Akselererte aldringstester på kommersielle c-Si-moduler [7].

Et normalisert effektnivå på 0,8 blir vanligvis tatt som en levetid for et PV-panel. Det kan ses fra testkurvene at panelene forverres raskt etter dette punktet.

På begynnelsen av 1990-tallet var ti års garantier typiske. I dag tilbyr nesten alle produsenter 20 til 25 års garanti. Men en 25 års garanti betyr ikke at prosjektet er beskyttet. Man må stille følgende spørsmål:

• Vil modulleverandøren være i løpet av 15 år når det oppstår problemer?

• Finansierer leverandøren en sperrekonto for å sikre at hvis den blir borte, vil prosjektet bli beskyttet?

• Stoler leverandøren ganske enkelt på IEC-kvalifiseringstester for å komme med påstander om langvarig holdbarhet?

• Hvis leverandøren bare har eksistert i fem år, hvordan kan den da påstå at modulene varer i 25 år?

Økningen i garantilengden er lovende, men en investor eller utvikler må nøye gjennomgå selskapet som leverer det [4].

referanser

[1] IEA: “ Gjennomgang av svikt i fotovoltaiske moduler ”, oppgave 13 ekstern sluttrapport, IEA-PVPS, mars 2014.
[2] Dupont: " En guide til forståelse av solcellepanelfeil: fra fabrikasjon til feltmoduler", www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Crack statistikk over krystallinske fotovoltaiske moduler ", 26. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2011.
[4] E Fitz: “ Effekten av PV-modulens pålitelighet ”, Renewable Energy World, mars 2011.
[5] J Wolgemuth et al: “ Feilmodus for krystallinske Si-moduler ”, PV Module Reliability Workshop 2010.
[6] M Zarmai: “ En gjennomgang av sammenkoblingsteknologier for forbedret krystallinsk silisium solcelle fotovoltaisk modul montering ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: PV pålitelighet (Cluster II): Resultater av et tysk fireårig felles prosjekt - Del I, resultater akselererte aldringstester og modellering av nedbrytning, 25. EU-PVSEC, 2010.