Saules PV moduļa kļūmes un darbības traucējumi

Avots: ee.co.za

Mūsdienu saules fotoelektriskās iekārtas ir paredzētas drošai darbībai visā izstrādājuma darbības laikā. Neskatoties uz šiem ražošanas defektiem un priekšlaicīgām neveiksmēm, joprojām var rasties iespaids uz produkta darbību.

Uzticamība un kvalitāte ir izstrādāta un iebūvēta modernās saules fotoelektriskās iekārtās. Lai arī masveida ražošanas paņēmieni ir kontrolēti un slikta kvalitātes kontrole joprojām var radīt izstrādājumā ražošanas defektus, un uzstādīšana uz vietas, kā arī transportēšana var radīt bojājumus, kas visi var saīsināt izstrādājumu kalpošanas laiku.

Viens no galvenajiem fotoelektrisko sistēmu izmaksu samazināšanas faktoriem ir PV moduļu uzticamības un kalpošanas laika palielināšana. Šodienas statistika rāda kristāliskā silīcija PV moduļu nominālās jaudas noārdīšanās ātrumu 0,8% gadā [1]. Lai arī mūsdienu izstrādājumi ir izstrādāti, lai izmantotu augstākas kvalitātes materiālus un mehanizētu ražošanu, cenu konkurences rezultātā paneļu ražošanā tika izmantots plānāks un mazāk materiālu. Turklāt ir pierādījumi, ka daži ražotāji ir atgriezušies pie zemākas kvalitātes materiālu izmantošanas, lai pazeminātu cenas.

Priekšlaicīga paneļu sabrukšana var nopietni ietekmēt PV iekārtas, jo galvenās dzīves cikla izmaksas ir kapitāls. PV moduļa atteice ir sekas, kas vai nu samazina moduļa jaudu, ko nepadara normāla darbība, vai arī rada drošības problēmas.

Tīri kosmētisks jautājums, kam nav nevienas no šīm sekām, netiek uzskatīts par PV moduļa kļūmi. PV moduļa kļūme ir saistīta ar garantiju, ja tā notiek apstākļos, kādos parasti notiek modulis [1].

Parasti produktu neveiksmes tiek iedalītas šādās trīs kategorijās:

• Zīdaiņu neveiksmes

• Pusmūža neveiksmes

• Nodiluma neveiksmes

1. attēlā parādīti šo trīs veidu moduļu neveiksmju piemēri. Papildus šīm moduļa kļūmēm, daudzos PV moduļos tūlīt pēc uzstādīšanas ir redzama gaismas izraisīta enerģijas samazināšanās (LID). LID ir kļūmes veids, kas rodas jebkurā gadījumā, un uz PV moduļa etiķetes uzdrukātā nominālā jauda parasti tiek koriģēta ar paredzamajiem standartizētajiem piesātinātās enerģijas zudumiem šīs kļūmes dēļ.

1. attēls. Trīs tipiski kristālu fotoelektrisko moduļu atteices scenāriji [1].

LID: Gaismas izraisīta degradācija
PID: potenciāli izraisīta noārdīšanās
EVA: etilēna vinilacetāts
J-veida kārba: savienojuma kārba

Kļūme un kļūme

Sīki izstrādāti pētījumi par ekspluatācijas kļūmēm visā paneļu kalpošanas laikā nav pieejami, jo vairums instalāciju ir nesen veiktas, un piegādātāji nevēlas publiskot šādus skaitļus. Ziņojumos par zīdaiņu mirstības pētījumiem, ti, kļūmēm uzstādīšanas laikā, skaitļi ir no 1 līdz 2% no visiem uzstādītajiem paneļiem [3]. Ir veikti vairāki simulācijas pētījumi ar paātrinātu dzīves laiku, taču ierobežotā skaitā paneļu.

BP Solar ir ziņojis par Solarex c-Si paneļu kļūmju līmeni astoņu gadu laikā 0,13%, un Sandia National Laboratories ir prognozējis kļūmju līmeni 0,05% gadā, pamatojoties uz lauka datiem [4]. Tomēr šie ir īstermiņa dati par agrīnajiem dzīves periodiem, un nav pieejami skaitļi par novēlota dzīves pārtraukumiem liela mēroga iekārtām.

Galvenie defekti un neveiksmes

Neveiksmes var iedalīt darbības un ar drošību saistītos neveiksmes tipos. Ar drošību saistītas kļūmes var izraisīt īpašuma bojājumus vai personāla ievainojumus. Ar veiktspēju saistītas kļūmes izraisa izejas jaudas zudumu vai kritumu.

Defekti rodas šādās jomās:

• Vafeles vai šūnas kristāliskajos PV produktos

• Iekapsulēšana

• Stikla pamatne

• Iekšējā elektroinstalācija

• Rāmis un piederumi

• Amorfie slāņi amorfā PV

Vafeļu vai šūnu bojājumi

Šūnas efektivitātes pasliktināšanās ir normāla visā kameras darbības laikā, un to neuzskata par kļūmi vai kļūmi, ja vien noārdīšanās ātrums nepārsniedz normālas robežas. Lielākā daļa vafeļu vai šūnu defektu būs vafeles plaisāšana un savienojumu un vadītāju bojājumi. Mazākas kļūdas rodas no atstarojošā pārklājuma (ARC) bojājumiem un šūnu korozijas. Gaismas izraisīta degradācija amorfos saules paneļos ir zināms efekts, un tas nebūt nav jāuzskata par kļūmi. Potenciāli izraisīta noārdīšanās ir jauna parādība, kas parādījusies arvien pieaugošo spriegumu rezultātā PV sistēmās.

Pretatstarojoša pārklājuma atslāņošanās

Pretatstarojošais pārklājums (ARC) palielina gaismas uztveršanu un tādējādi palielina moduļa jaudas pārveidi. ARC atslāņošanās notiek, kad pretatstarojošais pārklājums nokrīt no šūnas silikona virsmas. Tas nav nopietns defekts, ja vien nav daudz delaminēšanas [2]. Pētījumi parādīja, ka ARC īpašības ir PID izraisošs faktors.

Šūnu plaisāšana

Plaisas PV moduļos ir visuresošas. Tās var attīstīties dažādos moduļa dzīves posmos.

Jo īpaši ražošanas laikā lodēšana rada lielus spriegumus šūnās. Pārvietošanās un vibrācijas pārvadājumos var izraisīt vai paplašināt plaisas [4]. Visbeidzot, lauka modulis izjūt mehāniskās slodzes vēja (spiediena un vibrācijas) un sniega (spiediena) ietekmē.

Mikroplaisas var izraisīt vai pastiprināt:

• Ražot

• Transports

• Uzstādīšana

• Ekspluatācijas laikā radītais stress (termiskais un cits)

Kristālisko vafeļu izmērs gadu gaitā ir palielinājies un to biezums ir samazinājies, palielinot to pārrāvuma un plaisāšanas iespējamību. Plaisas saules baterijās ir īsta PV moduļu problēma, jo no tām ir grūti izvairīties, un līdz šim to praktiski nav iespējams novērtēt, kā tās ietekmē moduļa efektivitāti tā darbības laikā. Jo īpaši mikroplaisu klātbūtnei var būt tikai neliela ietekme uz jaunā moduļa jaudu, ja vien dažādas elementu daļas joprojām ir elektriski savienotas.

Tā kā modulis noveco un tiek pakļauts termiskai un mehāniskai slodzei, var rasties plaisas. Atkārtota saplaisājušo šūnu daļu relatīva kustība var izraisīt pilnīgu atdalīšanos, tādējādi novedot pie neaktīvām šūnu daļām. Šajā īpašajā gadījumā ir iespējams precīzi novērtēt enerģijas zudumus. 60 šūnu, 230 W PV modulim, šūnu daļu zudums ir pieņemams, ja vien zaudētā daļa ir mazāka par 8% no kameras laukuma [3].

2. attēls. Gliemežu sliedes mikroplaisu dēļ šūnās [1].

Mikroplaisas ir plaisas PV šūnu silīcija substrātā, kuras bieži nevar redzēt ar neapbruņotu aci. Plaisas saules baterijā var veidoties dažāda garuma un orientācijas. Vafeļu sagriešana, elementu ražošanas virkne un iestrādes process ražošanas procesā izraisa šūnu plaisas fotoelementos. Saules bateriju virkņu veidošanās process rada īpaši plaisu radīšanas risku [1].

Ražošanas laikā ir trīs dažādi mikroplaisu avoti; katram ir sava rašanās varbūtība:

• Plaisas, kas sākas no šūnas savstarpējās savienojuma lentes, rada atlikuma spriegums, ko izraisa lodēšanas process. Šīs plaisas bieži atrodas savienotāja galā vai sākuma punktā, jo tur ir vislielākais atlikušais spriegums. Šis plaisas tips ir visizplatītākais.

• Tā sauktā šķērsplaisa, ko izraisa mašīnu presēšana uz vafeles ražošanas laikā.

• Plaisas, kas sākas no šūnas malas, rada šūna, triecoties pret cietu priekšmetu.

Tiklīdz saules modulī ir elementu plaisas, palielinās risks, ka saules moduļa darbības laikā īsas elementu plaisas var izvērsties garākās un plašākās plaisās. Tas ir saistīts ar mehānisko spriegumu, ko izraisa vēja vai sniega slodze, un termomehānisko spriegumu saules moduļos, ko izraisa temperatūras svārstības, ko rada tuvojošie mākoņi, un laika apstākļu svārstības.

Mikroplaisām var būt dažāda izcelsme, un to rezultāts var būt “mīksts”, piemēram, skartās šūnas daļu sadrumstalotība samazina ražu līdz smagākai ietekmei, kas saistīta ar īssavienojuma strāvas un šūnas efektivitātes samazināšanos. Vizuāli mikroplaisas šūnas struktūrā var parādīties tā saukto “gliemežu taku” veidā. Tomēr gliemežu takas - kā ilgtermiņa trieciena zīme - var būt arī ķīmiska procesa rezultāts, izraisot šūnas virsmas maiņu un / vai karsto punktu parādīšanos.

Atkarībā no plaisu plaisas rakstura, termiskais, mehāniskais spriegums un mitrums var izraisīt “atmirušās” vai “neaktīvās” elementu daļas, kas rada enerģijas zudumus no ietekmētās fotoelementa. Atmiruša vai neaktīva elementa daļa nozīmē, ka šī konkrētā fotoelementa daļa vairs nedod ieguldījumu kopējā saules enerģijas moduļa enerģijas izlaidē. Ja šī mirušā vai neaktīvā fotoelementa daļa ir lielāka par 8% no kopējā kameras laukuma, tas noved pie enerģijas zuduma, kas aptuveni lineāri palielinās līdz ar neaktīvā šūnas laukumu [1].

Plaisas potenciāli palielinās ilgākā darbības laikā un tādējādi palielina to ļaunprātīgo ietekmi uz PV moduļa funkcionalitāti un veiktspēju, potenciāli izraisot arī karstos punktus. Neizpētītas mikroplaisas var izraisīt lauku dzīves ilgumu, kas mazāks nekā paredzēts. Tie atšķiras pēc izmēra, izvietojuma uz šūnas un trieciena kvalitātes.

Mikroplaisas var atklāt laukā pirms uzstādīšanas un projekta laikā. Ir dažādas kvalitātes pārbaudes metodes, lai identificētu mikroplaisas, no kurām elektroluminiscences (EL) vai elektroluminiscences plaisu noteikšanas (ELCD) pārbaude ir viena no visizmantojamākajām metodēm. EL testēšana var atklāt slēptus defektus, kas iepriekš nebija izsekojami ar citām testēšanas metodēm, piemēram, infrasarkano (IR) attēlveidošanu ar termokamerām, VA raksturlielumu un zibspuldzes testēšanu [1]. Daži ražotāji iesaka regulāri pārbaudīt uzstādītos paneļus visā to darbības laikā [3].

Iekapsulēšanas kļūdas

Saules panelis ir “sviestmaize”, ko veido dažādi materiālu slāņi (3. att.).

3. attēls. PV moduļa komponenti [2].

Iekapsulējošie materiāli tiek izmantoti, lai:

• Izturieties pret karstumu, mitrumu, UV starojumu un siltuma ciklu

• Nodrošiniet labu saķeri

• Stiklu optiski savieno ar šūnām

• Elektriski izolēt komponentus

• Kontrolējiet, samaziniet vai likvidējiet mitruma iekļūšanu

Kapsulēšanai visizmantotākais materiāls ir etalīna vinilacetāts (EVA). Kapsulanta kļūme var izraisīt PV moduļa sabojāšanos vai pasliktināšanos.

Adhēzijas mazspēja

Adhēzija starp stiklu, iekapsulējošo, aktīvajiem un aizmugures slāņiem var tikt apdraudēta daudzu iemeslu dēļ. Plānas plēves un cita veida PV tehnoloģijas var saturēt arī caurspīdīgu vadītspējīgu oksīdu (TCO) vai līdzīgu slāni, kas var izdalīties no blakus esošā stikla slāņa.

Parasti, ja saķere ir traucēta piesārņojuma (piemēram, nepareiza stikla tīrīšana) vai vides faktoru dēļ, notiek delaminācija, kam seko mitruma iekļūšana un korozija. Delaminēšana saskarnēs optiskajā ceļā radīs optisko atstarojumu (piemēram, līdz 4%, jaudas zudumu vienā gaisa / polimēra saskarnē) un sekojošu moduļu strāvas (jaudas) zudumu [1].

Etiķskābes ražošana

EVA loksnes reaģē ar mitrumu, veidojot etiķskābi, kas paātrina PV moduļa sastāvdaļu iekšējās daļas korozijas procesu. To var izraisīt arī EVA novecošanās process un tas var uzbrukt sudraba kontaktiem un ietekmēt šūnu ražošanu. Caurlaidīgām pamatlapām tā nav problēma, jo etiķskābe var izkļūt. Tomēr necaurlaidīgām pamatlapām laika gaitā šis defekts var izraisīt ievērojamus enerģijas zudumus.

Kapsulas krāsas maiņa

Tas radīs zināmu transmisijas zudumu un līdz ar to mazāku jaudu. Krāsas maiņa ir saistīta ar skābekļa balināšanu, tāpēc ar elpojošu aizmugurējo loksni šūnu krāsa mainās, kamēr ārējie gredzeni paliek skaidri. Tas var notikt sliktas šķērssaites un / vai piedevu dēļ EVA formulējumā.

4. att.: Ar krāsas maiņu EVA [5].

Bez koncentrācijas ir vajadzīgi pieci līdz desmit gadi, lai redzētu krāsas izmaiņas un ilgāk, lai sāktu jūtami samazināt izejas jaudu. Krāsa nav pati EVA, bet gan piedevas preparātā. Šis defekts var neļaut gaismai nokļūt panelī [5].

Delaminācija

Delaminēšana ir kapsulanta atdalīšana no stikla vai šūnas. Delaminēšana var notikt starp virslīgu (stikls), substrātu (pamatne) un iekapsulējošu vai starp iekapsulējošu un šūnām. Priekšējā stikla pārklājums var rasties sliktas EVA saķeres vai sliktu stikla tīrīšanas procedūru dēļ ražošanas procesa laikā. Šis defekts var neļaut gaismai nokļūt panelī. Problēma var kļūt nopietnāka, ja mitrums uzkrājas tukšumā un pie lodēšanas vadiem izveidojas īssavienojumi.

Šūnu noārdīšanu, visticamāk, izraisa slikta šūnas sašūšana vai šūnu virsmas piesārņojums. Šis defekts var būt nopietns, jo, ja laminātā tiek izveidots gaisa burbulis, pastāv mitruma uzkrāšanās un īssavienojumu iespēja. Ieliktņa atdalīšana notiek, ja izgatavošanas laikā EVA nav labi pielipusi pie ieliktņa.

Jaunie ceļi un sekojošā korozija pēc delaminēšanas samazina moduļa veiktspēju, bet automātiski nerada drošības problēmas. Aizmugurējās loksnes delaminēšana tomēr var dot iespēju aktīvo elektrisko komponentu iedarbībai. Ja modulis ir konstruēts ar stikla priekšējām un aizmugurējām loksnēm, var būt papildu spriegumi, kas pastiprina slāņošanos un / vai stikla pārrāvumu.

Aizmugures loksnes defekti

Moduļa aizmugures lapa kalpo gan elektronisko komponentu aizsardzībai no tiešas apkārtējās vides iedarbības, gan drošas darbības nodrošināšanai augsta līdzstrāvas sprieguma gadījumā. Aizmugurējās loksnes var būt izgatavotas no stikla vai polimēriem, un tajās var būt metāla folija.

5. attēls. Delaminēšana (Rycroft).

Parasti aizmugures loksni veido lamināta struktūra ar ļoti stabilu un UV izturīgu polimēru, bieži no fluoropolimēra ārpuses, kas ir tieši pakļauts videi, PET iekšējais slānis, kam seko iekapsulējošais slānis [1] .

Ja aizmugures loksnes vietā tiek izmantots aizmugurējais stikls, tas var sabojāties, saplīstot. Ja modulis ir konstruēts kā plānslāņa ierīce uz pamatnes (substrāts CIGS), tad tas rada būtisku drošības apdraudējumu papildus ievērojamiem vai, iespējams, pilnīgiem šī moduļa enerģijas zudumiem. Gar plaisām var būt neliela atstarpe un spriegums, kas spēj radīt un uzturēt elektrisko loku.

Ja tas notiek kopā ar apvada diodes kļūmi, visā spraugā var atrasties viss sistēmas spriegums, veidojot lielu un ilgstošu loka, kas, iespējams, izkausē stiklu, iespējams, izraisot ugunsgrēku. Tomēr, ja stikla pamatne plīstu tipiskā kristāliskā Si modulī, joprojām būtu iekapsulētāja slānis, lai nodrošinātu nelielu elektriskās izolācijas pakāpi.

Aizsardzība pret EVA var notikt sliktas saķeres dēļ starp EVA un aizmugures lapu vai ja aizmugures loksnes saķeres slāni sabojā ultravioletā iedarbība vai temperatūras paaugstināšanās.

Dzeltenumu priekšpusē izraisa polimēra noārdīšana, ko izmanto, lai veicinātu īpašās pamatnes loksnes saķeri ar kapsulētāju. Dzeltenība bieži tiek saistīta ar mehānisko īpašību pasliktināšanos. Ja ir šis defekts, iespējams, ka aizmugures loksne galu galā varētu sabojāt un / vai plaisāt [3].

Dzeltenais gaiss ir jutība pret UV gaismu, ko var paātrināt augsta temperatūra. Šis defekts rodas arī dažās pamatlapās termiskās sadalīšanās rezultātā. Dzeltenība bieži tiek saistīta ar mehānisko īpašību pasliktināšanos. Ja ir šis defekts, iespējams, ka aizmugures loksne galu galā varētu sabojāt un / vai plaisāt [3].

Karstie punkti

Karstā punkta sildīšana notiek modulī, kad tā darba strāva pārsniedz samazinātu īssavienojuma strāvu (I _sc ) ēnota vai kļūdaina elementa vai šūnu grupas gadījumā. Kad rodas šāds stāvoklis, skartā šūna vai šūnu grupa tiek piespiesta pretēju novirzi, un tai ir jāizkliedē jauda.

6. attēls. Kristāliski silīcija saules elementi, kas virknē savienoti ar lentes lenti [6].

Ja jaudas izkliede ir pietiekami liela vai pietiekami lokalizēta, apgriezti aizspriedumainais elements var pārkarst, kā rezultātā lodējums un / vai silīcijs izkūst, un kapsulants un pamatplāksne tiek bojāti [5].

Diriģenta lentes un savienojuma bojājumi

Saules baterijas ir aprīkotas ar diviem pamatelementiem - priekšējo un aizmugurējo kontaktu, kas ļauj piegādāt strāvu ārējai ķēdei. Strāvu ved ar kopņu sloksnēm, kas ir pielodētas priekšējiem un aizmugurējiem kontaktiem. Stīgas lentes kļūme ir saistīta ar izejas jaudas zudumu. Starpsavienojumu pārtraukumi rodas termiskās izplešanās un saraušanās vai atkārtota mehāniskā sprieguma rezultātā. Turklāt biezāka lente vai lentes saīsina savienojumus un rada īssavienojuma šūnas un atvērtas ķēdes šūnas.

Kritiska moduļa daļa ir lodēšanas savienojumu savienojumi. Tie sastāv no daudziem kopā savienotiem materiāliem, ieskaitot lodmetālu, kopni, lenti un silīcija vafeļu. Šiem materiāliem piemīt dažādas termiskās un mehāniskās īpašības. Saistot, montāža izstrādā termo-mehāniskās uzticamības problēmas, kuras izraisa saistīto materiālu termiskās izplešanās koeficienta atšķirības. Lodēšana nodrošina savienojumu starp elektrodu un lenti.

PV moduļa temperatūra mainās atkarībā no vietējiem laikapstākļiem, kas savukārt ietekmē lodēšanas starpsavienojuma pasliktināšanās ātrumu. Dzīves laika prognozēšanas modelēšanas analīzē tika ziņots, ka tāda paša veida c-Si PV moduļiem, kas atrodas dažādos laika apstākļos, īsākais mūžs bija tuksnesī, kam sekoja tropi.

Lai arī lodēšanas procesa izmantošanai saules bateriju montāžā PV moduļos ir tāda priekšrocība, ka iegūst produktus, kuriem ir augsta uzticamība ar minimālām ražošanas izmaksām, tehnoloģija notiek augstā temperatūrā ar raksturīgu potenciālu radīt bīdes spriegumu silīcija vafelē. Lodēšanas savienojumu atteice un degradācija izraisa virknes pretestības palielināšanos, kas noved pie enerģijas zuduma.

Moduļu kalpošanas laiks

Visi iepriekš minētie defekti veicina PV paneļu bojāšanos un pilnīgu sabrukšanu. PV moduļi ir paredzēti darbam 20 un vairāk gadus, un jauniem moduļiem tiek veiktas paātrinātas testa programmas, kas imitē siltuma, mitruma, temperatūras cikla, UV starojuma un citu faktoru ietekmi [5]. Kohl veikto testa programmu rezultāti parādīti 7. attēlā [7].

7. att.: Paātrināti novecošanās testi komerciāliem c-Si moduļiem [7].

Normalizētu enerģijas līmeni 0,8 parasti uzskata par PV paneļa kalpošanas laiku. Pēc testa līknēm var redzēt, ka paneļi pēc šī punkta strauji pasliktinās.

Deviņdesmito gadu sākumā bija raksturīgas desmit gadu garantijas. Mūsdienās gandrīz visi ražotāji piedāvā garantijas no 20 līdz 25 gadiem. Bet 25 gadu garantija nenozīmē, ka projekts ir aizsargāts. Jāuzdod šādi jautājumi:

• Vai moduļu piegādātājs atradīsies aptuveni 15 gadu laikā, kad radīsies problēmas?

• Vai piegādātājs finansē darījuma kontu, lai nodrošinātu, ka projekts tiks aizsargāts, ja tā vairs nebūs?

• Vai piegādātājs vienkārši atsaucas uz IEC kvalifikācijas testiem, lai izteiktu apgalvojumus par ilglaicīgu izturību?

• Ja piegādātājs darbojas tikai piecus gadus, kā tas var apgalvot, ka moduļi darbojas 25 gadus?

Garantiju ilguma pieaugums ir daudzsološs, taču investoram vai izstrādātājam ir rūpīgi jāpārskata uzņēmums, kas to nodrošina [4].

Atsauces

[1] IEA: “ Fotoelektrisko moduļu atteices pārskats”, 13. uzdevuma ārējais gala ziņojums, IEA-PVPS, 2014. gada marts.
[2] Dupont: “ Ceļvedis, kā izprast saules paneļa defektus: no izgatavošanas līdz aizsegtiem moduļiem ”, www.dupont.com
[3] M Kontges et al: “ Kristālisko fotoelektrisko moduļu plaisu statistika ”, 26. Eiropas fotoelektriskās saules enerģijas konference un izstāde, 2011. gads.
[4] E Ficks: “ FE moduļu uzticamības viszemākā ietekme ”, atjaunojamo energoresursu pasaule, 2011. gada marts.
[5] J Wolgemuth et al: “ Kristālisko Si moduļu atteices režīmi ”, PV moduļu uzticamības seminārs, 2010. gads.
[6] M Zarmai: “ Pārskats par starpsavienojumu tehnoloģijām, lai uzlabotu kristāliska silīcija saules bateriju fotoelektrisko moduļu montāžu ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: PV uzticamība (II klasteris): Vācijas četru gadu kopīgā projekta rezultāti - I daļa, paātrinātu novecošanās testu rezultāti un degradācijas modelēšana, 25. EU-PVSEC, 2010.