Несправності та збої сонячного ПВ модуля

Джерело: ee.co.za

Сучасне сонячне фотооснащення призначене для надійної роботи протягом повного терміну експлуатації виробу. Незважаючи на це виробничі дефекти та передчасні збої, все ще виникають, які можуть вплинути на продуктивність виробу.

Надійність та якість розроблені та вбудовані в сучасне сонячне фотовольта. Техніка масового виробництва, хоча і контрольована, і поганий контроль якості, все-таки можуть вносити дефекти у виробництво виробу, а монтаж на місцях, а також транспорт можуть призвести до пошкодження, що може скоротити термін експлуатації продукції.

Одним із ключових факторів зниження витрат фотоелектричних систем є збільшення надійності та тривалості експлуатації ПВ модулів. Сьогоднішня статистика показує коефіцієнти деградації номінальної потужності для кристалічних ПВ-модулів кристалічного кремнію 0,8% на рік [1]. Незважаючи на те, що сучасна продукція призначена для використання високоякісних матеріалів та механізованого виробництва, цінова конкуренція призвела до того, що у виробництві панелей використовується більш тонкий та менший матеріал. Крім того, є дані, що деякі виробники повернулися до використання матеріалів нижчої якості для зниження цін.

Передчасна несправність панелей може мати серйозні фінансові наслідки для ПВ-установок, оскільки основна вартість життєвого циклу - це капітал. Поломка ПВ модуля - це ефект, який або погіршує потужність модуля, яка не повертається при нормальній роботі, або створює проблеми безпеки.

Суто косметичне питання, яке не має жодного з цих наслідків, не розглядається як збій PV-модуля. Поломка ПВ модуля є актуальною для гарантії, коли вона виникає за умов, які модуль зазвичай відчуває [1].

Зазвичай відмови продуктів поділяються на три категорії:

• Невдачі немовляти

• Невдачі середнього віку

• Несправності зносу

На рис. 1 наведено приклади цих трьох типів відмов для ПВ модулів. Крім цих відмов модулів, багато модулів ПВ демонструють деградацію потужності, спричинену світлом (LID), відразу після встановлення. LID - це тип відмови, який так чи інакше виникає, і номінальна потужність, надрукована на етикетці PV-модуля, зазвичай коригується очікуваними стандартизованими втратами насиченої потужності внаслідок цього збою.

Рис. 1: Три типові сценарії відмов для кристалічних фотоелектричних модулів на основі пластин [1].

LID: Деградація, спричинена світлом
PID: потенційно індукована деградація
EVA: Етиленвінілацетат
J-box: Розміщувальна коробка

Виникнення несправності та відмови

Детальні дослідження несправності в експлуатації протягом повного терміну експлуатації панелей недоступні, оскільки більшість установок останніми часом, а постачальники неохоче оприлюднюють такі показники. Звіти про дослідження дитячої смертності, тобто невдачі при встановленні, дають показники від 1 до 2% усіх встановлених панелей [3]. Було проведено кілька симуляційних досліджень із прискореним життям, але на обмеженій кількості панелей.

BP Solar повідомила про рівень відмов 0,13% за вісім років для панелей Solarex c-Si, а Національна лабораторія Sandia передбачила коефіцієнт відмов 0,05% річних на основі польових даних [4]. Однак це короткотермінові дані про раннє життя, і немає даних про несвоєчасні життєві аварії для великих масштабних установок.

Основні дефекти та збої

Несправності можна розділити на типи відмов, пов'язані з продуктивністю та безпекою. Поломки, пов'язані з безпекою, можуть призвести до пошкодження майна або травмування персоналу. Поломки, пов'язані з продуктивністю, призводять до втрати або падіння вихідної потужності.

Дефекти виникають у таких районах:

• Пластини або клітини в кристалічних виробах з ПВ

• Інкапсуляція

• Скляна основа

• Внутрішня електропроводка

• Рама та фурнітура

• Аморфні шари в аморфному ПВ

Несправності вафель або комірок

Погіршення ефективності роботи клітини є нормальним протягом життя клітини і не розглядається як несправність або збій, якщо швидкість деградації не перевищує норми норми. Більшість несправностей вафельних виробів або комірок - це розтріскування пластини та пошкодження з'єднань та провідників. Менші несправності виникають внаслідок пошкодження антивідбивного покриття (АРК) та корозії клітин. Деградація світла в аморфних сонячних батареях є відомим ефектом і не обов'язково розглядається як збій. Потенціал-деградація - це нове явище, яке з'явилося внаслідок все більш високих напруг, що використовуються в системах ПВ.

Антивідбивне розшарування покриття

Антивідбивне покриття (ARC) збільшує захоплення світла і, отже, збільшує модульне перетворення потужності. Розшарування АРК відбувається, коли антиблікове покриття відходить від поверхні кремнію в клітині. Це не є серйозним дефектом, якщо не буде багато розшарувань [2]. Дослідження показали, що властивості АРК є причинним фактором ПІД.

Крекінг клітин

Тріщини на PV модулях є всюдисущими. Вони можуть розвиватися на різних етапах життя модуля.

Зокрема, під час виготовлення пайка викликає високі напруження в клітинах. Поводження та вібрації в транспорті можуть викликати або розширити тріщини [4]. Нарешті, модуль у полі відчуває механічні навантаження через вітру (тиск та вібрації) та снігу (тиск).

Мікро-тріщини можуть бути спричинені або посилені:

• Виробництво

• Транспорт

• Установка

• Напруга в процесі експлуатації (теплова та інша)

Кристалічні пластини з роками збільшувалися в розмірах і зменшувалися в товщину, збільшуючи потенціал для поломки та розтріскування. Тріщини на сонячних елементах є справжньою проблемою для фотоелектричних модулів, оскільки їх важко уникнути і до цих пір принципово неможливо кількісно оцінити їх вплив на ефективність роботи модуля протягом його життя. Зокрема, наявність мікротріщин може мати лише незначний вплив на потужність нового модуля, доки різні частини комірок все ще електрично з'єднані.

По мірі того, як модуль старіє і піддається термічним і механічним навантаженням, можуть утворюватися тріщини. Повторний відносний рух потрісканих частин клітини може призвести до повного поділу, що призведе до неактивних клітинних частин. Для цього особливого випадку можлива чітка оцінка втрат електроенергії. Для 60-елементного, 230 Вт-модуля PV втрата частин комірки є прийнятною, доки втрачена частина становить менше 8% площі комірки [3].

Рис. 2: Сліма сліди через мікротріщини в клітинах [1].

Мікро-тріщини - це тріщини на кремнієвій підкладці PV-клітин, які часто не можна побачити неозброєним оком. Тріщини можуть утворюватися в сонячній батареї різної довжини та орієнтації. Нарізка пластин, нанизування осередків виробництва і процес вбудовування в процесі виробництва викликають тріщини клітин у фотоелектричних камерах. Процес нанизування сонячних батарей має особливо високий ризик введення тріщин [1].

Є три різних джерела мікротріщин під час виробництва; у кожного своя ймовірність появи:

• Тріщини, що починаються від стрічкової клітинки, пов'язані між собою, викликаються залишковим напруженням, викликаним процесом пайки. Ці тріщини часто розташовуються в кінці або в початковій точці з'єднувача, оскільки там найбільше залишкове напруження. Цей тип тріщин є найбільш частим.

• Так звана поперечна тріщина, яка викликається натисканням машини на пластину під час виробництва.

• Тріщини, що починаються від краю комірки, викликаються ударом клітини про твердий предмет.

Після появи тріщин клітини в сонячному модулі, існує підвищений ризик, що під час роботи сонячного модуля короткі тріщини клітини можуть перерости в більш довгі і більш широкі тріщини. Це пов'язано з механічним напруженням, спричиненим вітровим або сніговим навантаженням, і термомеханічним навантаженням на сонячні модулі через перепади температур, спричинені прохідними хмарами та перепадами погоди.

Мікро-тріщини можуть мати різний початок і призводити до досить «м'яких» результатів, таких як зменшення врожаю частин ураженої клітини до більш серйозних впливів, пов’язаних із зниженням струму короткого замикання та ефективності осередку. Візуально мікротріщини можуть з’являтися у формі так званих “слідів слимаків” на структурі клітин. Однак сліди слимаків - як знак тривалого удару - також можуть бути результатом хімічного процесу, що призводить до зміни поверхні клітини та / або гарячих точок.

Залежно від структури тріщин більших тріщин, термічні, механічні навантаження та вологість можуть призвести до "мертвих" або "неактивних" частин клітини, що спричинить втрату вихідної потужності з ураженої фотоелектричної комірки. Мертва або неактивна частина комірки означає, що ця конкретна частина фотоелектричної комірки вже не вносить вклад у загальний вихід енергії сонячного модуля. Коли ця мертва або неактивна частина фотоелектричної комірки перевищує 8% від загальної площі комірки, це призведе до втрати потужності, приблизно лінійно зростаючої з площею неактивної комірки [1].

Тріщини потенційно зростають протягом більш тривалого часу експлуатації і, таким чином, розширюють їх шкідливий вплив на функціональність та продуктивність фотомодулятора, що також може викликати гарячі точки. Невпізнані, мікротріщини можуть призвести до меншого, ніж очікуваного, терміну експлуатації поля. Вони відрізняються розміром, розташуванням на клітині та якістю удару.

Мікро-тріщини можуть бути виявлені в полі перед установкою та впродовж життя проекту. Існують різні методи тестування якості для виявлення мікротріщин, з яких тестування електролюмінесценції (EL) або електролюмінесценція на виявлення тріщин (ELCD) є одним із найбільш застосовуваних методів. Тестування EL дозволяє виявити приховані дефекти, які раніше не відслідковувались іншими методами тестування, такими як інфрачервона (ІЧ) візуалізація за допомогою теплових камер, VA-характеристика та тест спалаху [1]. Деякі виробники рекомендують регулярно перевіряти встановлені панелі протягом усього життя [3].

Несправності інкапсуляції

Сонячна панель - це «сендвіч», складений з різних шарів матеріалів (рис. 3).

Рис. 3: Компоненти PV-модуля [2].

Інкапсулюючі матеріали використовуються для:

• Протистояти тепла, вологості, УФ-випромінюванню та тепловому циклу

• Забезпечують хорошу адгезію

• Оптично пару склянку до комірок

• Електрично ізолюють компоненти

• Контроль, зменшення або усунення попадання вологи

Найбільш спільномоновим матеріалом, який використовується для капсулювання, є етаніловий вінілацетат (EVA). Вихід з ладу інкапсулянта може призвести до виходу з ладу або пошкодження модуля PV.

Недостатність адгезії

Адгезія між склом, капсулою, активними шарами та задніми шарами може бути порушена з багатьох причин. Тонкоплівкова та інші типи ПВ-технологій можуть також містити прозорий провідний оксид (ТСО) або подібний шар, який може випаровуватися від сусіднього шару скла.

Як правило, якщо адгезія порушена через забруднення (наприклад, неправильне очищення скла) або факторів навколишнього середовища, відбудеться розшарування з подальшим потраплянням вологи та корозією. Розшарування на інтерфейсах в межах оптичного шляху призведе до оптичного відображення (наприклад, до 4%, втрати потужності при одному інтерфейсі повітря / полімер) та подальші втрати струму (потужності) від модулів [1].

Виробництво оцтової кислоти

Листи EVA реагують з вологою, утворюючи оцтову кислоту, яка прискорює процес корозії внутрішнього компонента компонентів ПВ модуля. Це також може бути результатом процесу старіння EVA, і може атакувати контакти срібла та впливати на вироблення клітин. Для проникних листів це не проблема, оскільки оцтова кислота може вийти. Однак для непроникних листів цей дефект може призвести до значних втрат електроенергії з часом.

Знебарвлення капсули

Це призведе до деякої втрати передачі і, отже, до зниження потужності. Знебарвлення відбувається через відбілювання кисню, тому при дихаючому задньому аркуші центр клітин знебарвлюється, а зовнішні кільця залишаються чіткими. Це може статися через погане зшивання та / або добавки до складу EVA.

Рис. 4: Знебарвлена EVA [5].

Без концентрації потрібно п'ять-десять років, щоб знебарвитись і довше почати помітно знижувати вихідну потужність. Обесцвечивает не сам EVA, а добавки в рецептурі. Цей дефект може запобігти потраплянню світла на панель [5].

Розмежування

Деламінація - це відокремлення інкапсуляту від скла або клітини. Деламінація може бути між суперстратом (склом), підкладкою (зворотним листом) та інкапсулянтом або між капсулянтами та клітинами. Відшарування від переднього скла може статися через погану адгезію EVA або погані процедури очищення скла під час виготовлення. Цей дефект може запобігти потраплянню світла на панель. Проблема може стати більш серйозною, якщо вологість накопичується в порожнечі і створюється коротке замикання поблизу проводів припою.

Відшарування від клітини, швидше за все, викликане поганим зшиванням або забрудненням клітинної поверхні. Цей дефект може бути серйозним, тому що, коли в ламінаті створюється повітряний міхур, є можливість накопичення вологості та короткого замикання. Розшарування від вкладиша відбувається, якщо EVA не прилягав добре до вставки під час виготовлення.

Нові шляхи та наступна корозія після розшарування знижують продуктивність модуля, але автоматично не створюють проблем безпеки. Однак розшарування зворотного аркуша може передбачити можливість впливу активних електричних компонентів. Коли модуль виконаний із переднього та заднього аркушів скла, можуть виникнути додаткові напруги, що посилюють розшарування та / або поломку скла.

Дефекти зворотного аркуша

Задній аркуш модуля служить як для захисту електронних компонентів від прямого впливу навколишнього середовища, так і для забезпечення безпечної роботи при наявності високих напруг постійного струму. Листи можуть складатися зі скла або полімерів і можуть містити металеву фольгу.

Рис. 5: Розшарування (Rycroft).

Найчастіше задній аркуш складається з ламінованої структури з високостійким і ультрафіолетовим полімером, часто фторополімером ззовні, безпосередньо піддається впливу навколишнього середовища, внутрішнім шаром ПЕТ з подальшим шаром інкапсуляції [1] .

Якщо замість заднього аркуша використовується заднє скло, воно може вийти з ладу. Якщо модуль побудований як тонкоплівковий пристрій на зворотному аркуші (підкладка CIGS), то це представляє значну небезпеку для безпеки на додаток до значних або, що більш імовірно, повних втрат електроенергії для цього модуля. По тріщинах може бути невеликий зазор і деяка напруга, яка здатна виробляти і підтримувати електричну дугу.

Якщо це відбувається в поєднанні з виходом з ладу байпасного діода, напруга всієї системи може бути присутнім в зазорі, створюючи велику і стійку дугу, яка, ймовірно, розплавить скло, можливо, почавши пожежу. Однак якби скляний аркуш розбився в типовому кристалічному модулі Si, все одно залишився б шар інкапсулянта, який би забезпечив невелику міру електричної ізоляції.

Відшарування від EVA може статися через погану адгезію між EVA і тильним листом або якщо шар адгезії заднього аркуша пошкоджений ультрафіолетовим впливом або підвищенням температури.

Пожовтіння лицьової сторони викликається деградацією полімеру, який використовується для сприяння адгезії специфічного зворотного листа до інкапсулянта. Пожовтіння часто пов’язане з погіршенням механічних властивостей. З цим дефектом є ймовірність, що зворотний аркуш може згодом знерухомити та / або тріснути [3].

Пожовтіння з боку повітря є ознакою чутливості до УФ, яке можна прискорити високими температурами. Цей дефект також виникає в деяких аркушах в результаті термічної деградації. Пожовтіння часто пов’язане з погіршенням механічних властивостей. З цим дефектом є ймовірність, що зворотний аркуш може згодом знерухомити та / або тріснути [3].

Гарячі точки

Нагрівання гарячої точки відбувається в модулі, коли його робочий струм перевищує зменшений струм короткого замикання (I _sc ) затіненої або несправної комірки або групи комірок. При виникненні такого стану уражена клітина або група клітин змушені повертатись у зсув і повинні розсіювати потужність.

Рис. 6: Сонячні батареї кристалічного кремнію, з'єднані послідовно стрічкою [6].

Якщо розсіювання потужності досить високе або локалізовано достатньо, зворотний зміщений елемент може перегріватися, що призводить до плавлення припою та / або кремнію та погіршення стану інкапсулянта та зворотного листа [5].

Відмови стрічки провідника та суглоба

Сонячні батареї оснащені двома основними елементами, передніми і задніми контактами, що дозволяє подавати струм до зовнішнього контуру. Струм проводиться смугами шин, які припаяні до переднього і заднього контактів. Відмова стрічкової стрічки пов'язаний із втратою вихідної потужності. Розриви взаємозв'язку виникають в результаті теплового розширення і стиснення або повторного механічного напруження. Крім того, більш товста стрічка або перегини в стрічці сприяють розриву взаємозв'язків і призводять до короткого замикання комірок і комірок з відкритим ланцюгом.

Критична частина модуля - це з'єднання паяльних з'єднань. Вони складаються з багатьох матеріалів, з’єднаних разом, включаючи припой, шину, стрічку та кремнієву пластину. Ці матеріали мають різні теплові та механічні властивості. При скріпленні монтажу розробляються питання термомеханічної надійності, які зумовлені різницею коефіцієнта теплового розширення скріплених матеріалів. Припой забезпечує з'єднання між електродом і стрічкою.

Температура PV модуля залежить від місцевої погоди, що, в свою чергу, впливає на швидкість деградації з'єднання припою. В аналізі моделювання прогнозування на життя було повідомлено, що для однотипних модулів c-Si PV, розташованих у різних погодних умовах, термін експлуатації був найкоротшим у пустелі, а потім - у тропіках.

Незважаючи на те, що використання процесу пайки при складанні сонячних батарей у фотоелектричних модулях має перевагу, отримуючи продукти, які володіють високою надійністю при мінімальних витратах на виробництво, технологія відбувається при високій температурі з властивим потенціалом для створення напруги зсуву в кремнієвій пластині. Поломка та деградація з'єднань припою спричиняє збільшення опірності серії, що призводить до втрати потужності.

Тривалість життя модуля

Всі перераховані вище несправності сприяють деградації та остаточному виходу з ладу ПВ панелей. ПВ-модулі розраховані на тривалість 20 і більше років, а нові модулі проходять програми прискореного тестування, що імітують вплив тепла, вологості, температурного циклу, УФ-випромінювання та інших факторів [5]. Результати тестових програм, проведених Колем, показані на рис. 7 [7].

Рис. 7: Випробування на прискорене старіння на комерційних модулях c-Si [7].

Нормалізований рівень потужності 0,8 зазвичай сприймається як кінець терміну служби для ПВ-панелі. З тестових кривих видно, що панелі швидко погіршуються після цієї точки.

На початку 90-х років десятирічні гарантії були типовими. Сьогодні майже всі виробники пропонують гарантії від 20 до 25 років. Але гарантія на 25 років не означає, що проект захищений. Потрібно задати наступні питання:

• Чи буде постачальник модулів через 15 років, коли виникнуть проблеми?

• Чи постачальник фінансує депозитний рахунок, щоб гарантувати, що якщо його не буде, проект буде захищений?

• Чи постачальник просто покладається на кваліфікаційні тести IEC, щоб заявити про довгострокову довговічність?

• Якщо постачальник вже близько п'яти років, то як можна стверджувати, що модулі тривають 25 років?

Збільшення тривалості гарантій є багатообіцяючим, але інвестор або забудовник повинен ретельно переглянути компанію, що надає його [4].

Список літератури

[1] МЕА: « Огляд збоїв фотоелектричних модулів », зовнішній підсумковий виклад завдань 13, МЕА-ПВПС, березень 2014 року.
[2] Дюпон: " Посібник із розуміння дефектів сонячної панелі: від виготовлення до польових модулів ", www.dupont.com
[3] M Kontges та ін: « Статистика тріщин кристалічних фотоелектричних модулів », 26-а Європейська конференція та виставка фотоелектричної сонячної енергії, 2011.
[4] E Fitz: « Вплив на надійність фотомодулів PV », світ відновлюваної енергетики, березень 2011 року.
[5] Дж. Волгемут та ін: " Режими відмов кристалічних модулів Si ", семінар з надійності фотомодулів, 2010.
[6] M Zarmai: " Огляд технологій взаємозв'язку для вдосконаленого складання фотоелектричних модулів сонячного елемента в кристалічному кремнію ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl та ін: Надійність ПВ (Кластер II): Результати німецького чотирирічного спільного проекту - частина I, результати тестів на прискорене старіння та моделювання деградації, 25-й ЄС-PVSEC, 2010.