Modul PV Solar Kesalahan Dan Kegagalan

Sumber: ee.co.za

Peralatan PV solar moden direka untuk operasi yang boleh dipercayai sepanjang hayat penuh produk. Walaupun kecacatan pembuatan dan kegagalan pramatang masih berlaku yang boleh menjejaskan prestasi sesuatu produk.

Keandalan dan kualiti direka dan dibina untuk peralatan PV solar moden. Teknik pengeluaran massa, walaupun dikendalikan, dan kawalan mutu yang buruk masih dapat memperkenalkan kecacatan pengilangan ke dalam produk, dan pemasangan lapangan serta pengangkutan dapat mengakibatkan kerusakan, yang semuanya dapat mempersingkat jangka hayat produk.

Salah satu faktor utama untuk mengurangkan kos sistem fotovoltaik adalah untuk meningkatkan kebolehpercayaan dan masa hayat perkhidmatan modul PV. Statistik hari ini menunjukkan kadar kemerosotan kuasa diberi untuk modul PV silicon kristal sebesar 0,8% / tahun [1]. Walaupun produk moden direka bentuk untuk menggunakan bahan berkualiti tinggi dan pembuatan mekanikal, persaingan harga telah menyebabkan bahan yang lebih nipis dan kurang digunakan dalam pembuatan panel. Di samping itu terdapat bukti bahawa sesetengah pengilang telah kembali menggunakan bahan berkualiti rendah untuk menurunkan harga.

Kegagalan awal panel boleh mempunyai implikasi kewangan utama untuk pemasangan PV, kerana kos kitaran hayat utama adalah modal. Kegagalan modul PV adalah kesan yang sama sekali merendahkan kuasa modul yang tidak diterbalikkan oleh operasi biasa atau menghasilkan isu keselamatan.

Isu kosmetik murni yang tidak mempunyai kesan-kesan ini tidak dianggap sebagai kegagalan modul PV. Kegagalan modul PV adalah berkaitan dengan jaminan apabila ia berlaku di bawah keadaan modul yang biasanya mengalami [1].

Biasanya kegagalan produk dibahagikan kepada tiga kategori berikut:

• Kegagalan bayi

• Kegagalan tengah hari

• Kegagalan memakai

Rajah 1 menunjukkan contoh-contoh bagi tiga jenis kegagalan ini untuk modul PV. Selain daripada kegagalan modul ini, banyak modul PV menunjukkan penurunan denyutan kuasa (LID) cahaya selepas pemasangan. LID adalah jenis kegagalan yang berlaku bagaimanapun dan kuasa yang dicetak pada label modul PV biasanya diselaraskan oleh kerugian kuasa tepu piawai yang dijangkakan kerana kegagalan ini.

Rajah 1: Tiga senario kegagalan tipikal untuk modul photovoltaic kristal wafer [1].

LID: Degradasi akibat cahaya
PID: Kemerosotan teraruh berpotensi
EVA: Etilena vinil asetat
Kotak J: Kotak persimpangan

Kerosakan dan kejadian kegagalan

Kajian terperinci kegagalan dalam perkhidmatan sepanjang hayat penuh panel tidak tersedia kerana kebanyakan pemasangan baru-baru ini, dan pembekal enggan untuk melepaskan angka tersebut. Laporan kajian mortaliti bayi, iaitu kegagalan pemasangan, memberikan angka antara 1 dan 2% dari semua panel yang dipasang [3]. Beberapa kajian simulasi dengan kehidupan yang dipercepat telah dilaksanakan, tetapi pada beberapa panel yang terhad.

BP Solar melaporkan kadar kegagalan 0,13% selama tempoh lapan tahun untuk panel Solarex c-Si dan Laboratorium Nasional Sandia telah meramalkan tingkat kegagalan 0,05% setahun berdasarkan data lapangan [4]. Walau bagaimanapun, ini adalah angka jangka hayat jangka pendek dan tiada angka pada kegagalan kehidupan akhir untuk pemasangan skala besar boleh didapati.

Kecacatan dan kegagalan besar

Kegagalan boleh dibahagikan kepada prestasi dan jenis kegagalan berkaitan keselamatan. Kegagalan berkaitan keselamatan boleh mengakibatkan kerosakan kepada harta benda atau kecederaan kepada kakitangan. Kegagalan yang berkaitan dengan prestasi menghasilkan kehilangan atau penurunan kuasa output.

Kecacatan berlaku dalam bidang berikut:

• Wafer atau sel dalam produk PV kristal

• Pengkapsulan

• Pangkalan kaca

• Pendawaian dalaman

• Rangka dan kelengkapan

• Lapisan amorf dalam PV amorfus

Wafer atau kesilapan sel

Kemerosotan kecekapan sel adalah normal sepanjang hayat sel dan tidak dianggap sebagai kesalahan atau kegagalan kecuali kadar degradasi melebihi had biasa. Majoriti kesalahan wafer atau sel akan merosakkan wafer dan merosakkan sambungan dan konduktor. Kesalahan yang lebih kecil timbul daripada kerosakan anti-reflektif (ARC) dan kakisan sel. Degradasi cahaya disebabkan oleh panel solar amorf adalah kesan yang diketahui dan tidak semestinya dianggap sebagai kegagalan. Degradasi teraruh berpotensi adalah fenomena baru yang muncul sebagai hasil daripada voltan yang semakin tinggi yang digunakan dalam sistem PV.

Penulenan salutan anti-reflektif

Saluran anti-reflektif (ARC) meningkatkan penangkapan cahaya dan, oleh itu, meningkatkan penukaran kuasa modul. Penetapan ARC berlaku apabila lapisan anti-reflektif timbul dari permukaan silikon sel. Ini bukan satu kecacatan yang teruk melainkan terdapat banyak penolakan [2]. Penyelidikan telah menunjukkan sifat ARC menjadi faktor penyebab dalam PID.

Keretakan sel

Retak dalam modul PV adalah di mana-mana. Mereka boleh berkembang dalam peringkat yang berbeza dalam jangka hayat modul.

Semasa pembuatan khususnya, pematerian mendorong tekanan tinggi ke dalam sel. Pengendalian dan getaran dalam pengangkutan dapat mendorong atau mengembangkan retakan [4]. Akhirnya, modul di lapangan mengalami beban mekanikal akibat angin (tekanan dan getaran) dan salji (tekanan).

Keretakan mikro mungkin disebabkan atau diperburuk oleh:

• Pembuatan

• Pengangkutan

• Pemasangan

• Tekanan dalam perkhidmatan (haba dan sebagainya)

Wafer kristal telah meningkat dalam saiz dan menurun dalam ketebalan selama bertahun-tahun, meningkatkan potensi untuk pecah dan retak. Retak dalam sel solar adalah masalah yang tulen untuk modul PV kerana mereka sukar untuk dielakkan dan, sehingga kini, pada dasarnya mustahil untuk mengukur kesannya terhadap kecekapan modul sepanjang hayatnya. Khususnya, kehadiran retakan mikro mungkin mempunyai kesan kecil pada kekuatan modul baru, selagi sel-sel yang berlainan sel masih berkaitan dengan elektrik.

Sebagai modul usia dan tertakluk kepada tekanan terma dan mekanikal, retak boleh diperkenalkan. Pergerakan relatif berulang dari bahagian sel retak boleh mengakibatkan pemisahan lengkap, sehingga mengakibatkan bahagian sel aktif. Untuk kes ini, penilaian yang jelas tentang kehilangan kuasa adalah mungkin. Untuk sel 60, modul 230 W PV kehilangan bahagian sel boleh diterima selagi bahagian yang hilang lebih kecil daripada 8% kawasan sel [3].

Gambar 2: Jejak siput disebabkan oleh keretakan mikro dalam sel [1].

Retak mikro adalah retak di substrat silikon sel PV yang sering tidak dapat dilihat oleh mata kasar. Retak boleh terbentuk dalam pelbagai panjang dan orientasi dalam sel solar. Penghirisan wafer, penghasilan penghasilan sel dan proses pembenaman semasa proses pengeluaran menyebabkan retakan sel dalam sel fotovoltaik. Proses penghubung sel-sel solar mempunyai risiko yang sangat tinggi untuk memperkenalkan retak [1].

Terdapat tiga sumber retakan mikro yang berbeza semasa pengeluaran; masing-masing mempunyai kebarangkalian kebarangkalian sendiri:

• Retak bermula dari reben sel interkoneksi disebabkan oleh tegasan sisa yang disebabkan oleh proses pematerian. Retak ini kerap terletak pada akhir atau titik permulaan penyambung, kerana terdapat tekanan sisa tertinggi. Jenis retak ini adalah yang paling kerap.

• Kerosakan salib yang dipanggil, yang disebabkan oleh jentera yang menekan pada wafer semasa pengeluaran.

• Keretakan bermula dari tepi sel disebabkan oleh sel yang memberi kesan terhadap objek keras.

Setelah retakan sel hadir dalam modul solar, terdapat risiko yang lebih tinggi bahawa semasa operasi modul suria sel mudah retak dapat berkembang menjadi keretakan lebih lama dan lebih luas. Ini disebabkan oleh tekanan mekanikal yang disebabkan oleh beban angin atau salji dan tekanan mekanikal thermo pada modul solar disebabkan oleh variasi suhu yang disebabkan oleh awan yang berlalu dan variasi cuaca.

Kerosakan mikro mungkin mempunyai pelbagai asal dan menghasilkan hasil yang "lembut" seperti pengurangan hasil pemecahan bahagian-bahagian sel yang terjejas sehingga impak yang lebih teruk yang melibatkan penurunan kecekapan arus dan kecekapan sel. Secara visual, keretakan mikro mungkin muncul dalam bentuk "trail siput" yang disebut dengan struktur sel. Walau bagaimanapun, laluan siput - sebagai tanda kesan jangka panjang - juga boleh menjadi hasil proses kimia yang menyebabkan permukaan sel berubah dan / atau tempat panas.

Bergantung pada corak retak yang lebih besar, tekanan termal, mekanikal, dan kelembapan mungkin membawa kepada bahagian sel mati atau tidak aktif yang menyebabkan kehilangan output kuasa dari sel fotovoltaik yang terjejas. Bahagian sel mati atau tidak aktif bermakna bahagian khusus ini sel fotovoltaik tidak lagi menyumbang kepada jumlah kuasa output modul solar. Apabila bahagian ini mati atau tidak aktif dalam sel fotovoltaik lebih daripada 8% daripada jumlah kawasan sel, ia akan mengakibatkan kehilangan daya kira-kira secara linear meningkat dengan kawasan sel tidak aktif [1].

Retak berpotensi membesar dalam masa operasi yang lebih lama dan dengan itu memanjangkan kesan berniat jahat mereka terhadap fungsi dan prestasi modul PV, yang berpotensi mencetuskan titik panas juga. Tidak dapat dikesan, retakan mikro boleh menghasilkan jangka hayat yang kurang daripada jangkaan. Mereka berbeza dari saiz, lokasi pada sel dan kualiti impak.

Retakan mikro dapat dikesan di lapangan sebelum pemasangan dan sepanjang hayat projek. Terdapat kaedah ujian kualiti yang berbeza untuk mengenal pasti retak mikro yang ujian electroluminescence (EL) atau electroluminescence crack detection (ELCD) adalah salah satu kaedah yang paling digunakan. Ujian EL boleh mengesan kecacatan tersembunyi yang sebelum ini tidak boleh dipercayai oleh kaedah ujian lain, seperti pengimejan inframerah (IR) dengan kamera termal, ciri VA dan ujian kilat [1]. Sesetengah pengeluar mengesyorkan pemeriksaan tetap terhadap panel yang dipasang sepanjang hayat [3].

Kesalahan encapsulation

Panel solar adalah "sandwic", terdiri daripada lapisan bahan yang berlainan (Gambarajah 3).

Rajah 3: Komponen modul PV [2].

Bahan encapsulating digunakan untuk:

• Menentang haba, kelembapan, sinaran UV dan berbasikal haba

• Berikan lekatan yang baik

• Optik beberapa gelas ke sel

• Komponen mengasingkan elektrik

• Mengawal, mengurangkan, atau menghapuskan kemasukan kelembapan

Bahan mono yang paling biasa digunakan untuk enkapsulasi ialah etiline vinyl acetate (EVA). Kegagalan enkapsulant boleh mengakibatkan kegagalan atau kemerosotan modul PV.

Kegagalan pelekat

Lekatan antara kaca, penyangkut, lapisan aktif, dan lapisan belakang boleh dikompromi dengan banyak sebab. Filem tipis dan lain-lain jenis teknologi PV juga mungkin mengandungi oksida konduktif telus (TCO) atau lapisan serupa yang mungkin meleleh dari lapisan kaca bersebelahan.

Lazimnya, jika lekatan dikompromi kerana pencemaran (mis. Pembersihan tidak wajar kaca) atau faktor persekitaran, penyimpangan akan berlaku, diikuti oleh kemasukan kelembapan dan kakisan. Delapan pada antara muka dalam laluan optik akan menghasilkan refleksi optik (contohnya, sehingga 4%, kehilangan kuasa, di antara muka udara / polimer tunggal) dan kehilangan semasa (kuasa) semasa dari modul [1].

Pengeluaran asid asetik

Lembaran EVA bertindak balas dengan kelembapan untuk membentuk asid asetik yang mempercepatkan proses kakisan komponen dalam komponen modul PV. Ini juga boleh menyebabkan proses penuaan EVA, dan boleh menyerang kenalan perak dan menjejaskan pengeluaran sel. Untuk back-sheet yang telap, ini tidak menjadi masalah kerana asid asetik boleh melarikan diri. Walau bagaimanapun, bagi lembaran belakang yang tidak dapat dipulihkan, kecacatan ini boleh menyebabkan kerugian kuasa yang besar dari masa ke masa.

Penyesuaian warna

Ini akan mengakibatkan kehilangan penghantaran dan oleh itu mengurangkan kuasa. Perubahan warna ini disebabkan oleh oksigen yang menghancurkan, jadi dengan lipatan bernafas tengah-tengah sel-sel menghilangkan warna sementara cincin luar tetap jelas. Ini boleh berlaku disebabkan oleh silang silang dan / atau aditif dalam formulasi EVA.

Rajah 4: Mengubah EVA [5].

Tanpa tumpuan, diperlukan lima hingga sepuluh tahun untuk melihat perubahan warna dan lebih lama untuk mula mengecilkan kuasa output. Ia bukanlah EVA sendiri yang berubah-ubah, tetapi aditif dalam formulasi. Kecacatan ini boleh menghalang cahaya dari mencapai panel [5].

Delapan

Delapan adalah pemisahan dari encapsulant dari kaca atau sel. Delapan boleh di antara superstrate (kaca), substrat (helaian belakang) dan encapsulant atau antara encapsulant dan sel. Delapan dari kaca depan boleh berlaku disebabkan oleh lekatan EVA yang buruk atau prosedur pembersihan kaca yang lemah semasa proses fabrikasi. Kecacatan ini boleh menghalang cahaya dari mencapai panel. Masalahnya boleh menjadi lebih serius jika kelembapan berkumpul di dalam kekosongan dan mewujudkan litar pintas berhampiran kabel pateri.

Delapan dari sel kemungkinan besar disebabkan oleh penyekatan silang atau pencemaran permukaan sel yang tidak baik. Kecacatan ini boleh menjadi serius kerana apabila gelembung udara dibuat dalam lamina, terdapat kemungkinan untuk pengumpulan kelembapan dan litar pintas. Delapan dari sisipan berlaku jika EVA tidak mematuhi dengan baik pada penyisipan semasa fabrikasi.

Laluan baru dan kakisan berikutnya selepas penolakan mengurangkan prestasi modul, tetapi tidak secara automatik menimbulkan isu keselamatan. Walau bagaimanapun, penyembunyian helaian belakang mungkin membolehkan pendedahan kepada komponen elektrik yang aktif. Apabila modul dibina dengan kaca hadapan dan lembaran belakang, mungkin ada tekanan tambahan yang meningkatkan pengecualian dan / atau kerosakan kaca.

Kecacatan belakang lembaran

Lembaran belakang modul berfungsi untuk melindungi komponen elektronik dari pendedahan langsung ke alam sekitar dan untuk menyediakan operasi yang selamat dengan kehadiran voltan DC yang tinggi. Lembaran belakang boleh terdiri daripada kaca, atau polimer, dan mungkin menggabungkan kerajang logam.

Rajah 5: Delapan (Rycroft).

Selalunya, lembaran belakang terdiri daripada struktur lamina dengan polimer yang tahan stabil dan UV, selalunya fluoropolymer di luar, secara langsung terdedah kepada persekitaran, lapisan dalam PET, diikuti oleh lapisan encapsulant [1] .

Apabila kaca belakang digunakan bukannya lembaran belakang, ia mungkin gagal dengan pecah. Sekiranya modul dibina sebagai peranti filem nipis pada helaian belakang (substrat CIGS), maka ini membahayakan bahaya keselamatan yang ketara sebagai tambahan kepada kehilangan kuasa yang ketara atau, lebih berkemungkinan, lengkap untuk modul itu. Mungkin ada jurang kecil di sepanjang retak dan beberapa voltan yang mampu menghasilkan dan mengekalkan arka elektrik.

Sekiranya ini terjadi bersama dengan kegagalan diod pintasan, keseluruhan voltan sistem boleh hadir merentasi jurang yang membentuk arka yang besar dan berterusan yang kemungkinan akan mencairkan kaca, mungkin memulakan api. Walau bagaimanapun, sekiranya lembaran belakang kaca memecah modul Si kristal yang tipikal, masih terdapat satu lapisan encapsulant untuk memberikan ukuran kecil pengasingan elektrik.

Delapan dari EVA boleh berlaku kerana lekatan yang kurang baik antara EVA dan helaian belakang atau jika lapisan lekatan helaian belakang rosak oleh pendedahan UV atau peningkatan suhu.

Bahagian depan menguning adalah disebabkan oleh penguraian polimer yang digunakan untuk mempromosikan lekatan helaian spesifik ke encapsulant. Yellowing sering dikaitkan dengan sifat-sifat mekanikal yang semakin memburuk. Dengan kecacatan ini, kemungkinan bahawa helaian belakang mungkin akhirnya menghapuskan dan / atau retak [3].

Pengalih udara sisi adalah tanda kepekaan UV yang boleh dipercepatkan oleh suhu tinggi. Kecacatan ini juga berlaku di beberapa lembaran belakang akibat daripada kemerosotan terma. Yellowing sering dikaitkan dengan sifat-sifat mekanikal yang semakin memburuk. Dengan kecacatan ini, kemungkinan bahawa helaian belakang mungkin akhirnya menghapuskan dan / atau retak [3].

Tempat panas

Pemanasan tempat panas berlaku dalam modul apabila arus kendaliannya melebihi arus litar pintas yang dikurangkan (I _sc ) daripada sel atau kumpulan sel yang terlindung atau rosak. Apabila keadaan sedemikian berlaku, sel atau sekumpulan sel yang terpengaruh dipaksa menjadi kecenderungan terbalik dan mesti menghilangkan kuasa.

Rajah 6: Sel solar silikon kristal saling terhubung dalam siri dengan tabbing tabung [6].

Sekiranya penyisihan kuasa adalah cukup tinggi atau cukup setempat, sel bias terbalik boleh menjadi terlalu panas yang mengakibatkan pencairan pateri dan / atau silikon dan kemerosotan penumpukan dan lembaran belakang [5].

Ribut konduktor dan kegagalan sendi

Sel suria dilengkapi dengan dua elemen asas, bahagian hadapan dan belakang, yang membolehkan penghantaran arus litar luaran. Semasa dibawa oleh jalur buss yang disolder ke bahagian hadapan dan belakang. Kegagalan reben tali dikaitkan dengan kehilangan kuasa output. Kerosakan interkoneksi terjadi akibat pengembangan terma dan penguncupan atau tekanan mekanikal yang berulang. Selain itu, reben atau kinks yang lebih tebal dalam reben menyumbang kepada pemecahan perhubungan, dan menghasilkan sel-sel pendek dan sel-sel terbuka.

Bahagian kritikal modul ialah sambungan sambung pateri. Mereka terdiri daripada banyak bahan yang terikat bersama termasuk pateri, bas-bar, reben dan wafer silikon. Bahan-bahan ini mempunyai ciri-ciri haba dan mekanikal yang berbeza. Dalam ikatan, perhimpunan itu membangunkan isu-isu kebolehpercayaan thermo-mekanikal yang disebabkan oleh perbezaan dalam pekali pengembangan termal yang terikat. Si solder menyediakan sambungan antara elektrod dan reben.

Suhu modul PV berbeza-beza mengikut cuaca setempat yang seterusnya memberi kesan kepada kadar penyambungan saling sambungan pateri. Dalam analisis pemodelan ramalan seumur hidup, dilaporkan bahawa untuk jenis modul c-Si PV yang sama terletak dalam pelbagai keadaan cuaca, seumur hidup adalah terpendek di padang pasir yang diikuti oleh orang-orang di kawasan tropika.

Walaupun penggunaan proses pematerian dalam pemasangan sel suria dalam modul PV mempunyai kelebihan menghasilkan produk yang mempunyai kebolehpercayaan yang tinggi dengan kos pengeluaran yang minimum, teknologi itu berlaku pada suhu tinggi dengan potensi yang ada untuk menghasilkan tekanan ricih pada wafer silikon. Kegagalan dan degradasi sendi pateri menyebabkan peningkatan rintangan siri, yang mengakibatkan kehilangan kuasa.

Modul hayat

Kesilapan di atas menyumbang kepada kemerosotan dan kegagalan muktamad panel PV. Modul PV direka untuk bertahan selama 20 tahun atau lebih, dan modul baru menjalani program ujian dipercepatkan yang mensimulasikan kesan haba, kelembapan, berbasikal suhu, sinaran UV dan faktor lain [5]. Keputusan program ujian yang dijalankan oleh Kohl ditunjukkan pada Gambar 7 [7].

Rajah 7: Ujian penuaan dipercepatkan pada modul c-Si komersil [7].

Tahap kuasa normal sebanyak 0,8 biasanya diambil sebagai akhir hayat untuk panel PV. Ia boleh dilihat dari lengkung ujian bahawa panel-panel tersebut merosot dengan cepat selepas titik ini.

Pada awal 1990-an, waranti sepuluh tahun adalah tipikal. Hari ini, hampir semua pengeluar menawarkan jaminan 20 hingga 25 tahun. Tetapi jaminan 25 tahun tidak bermakna projek itu dilindungi. Kita perlu bertanya soalan berikut:

• Adakah pembekal modul ini akan wujud dalam masa 15 tahun apabila terdapat masalah?

• Adakah pembekal membiayai akaun escrow untuk memastikan bahawa jika ia hilang, projek itu akan dilindungi?

• Adakah pembekal hanya bergantung pada ujian kelayakan IEC untuk membuat tuntutan mengenai ketahanan jangka panjang?

• Sekiranya pembekal hanya ada selama lima tahun, bagaimanakah ia dapat mendakwa bahawa modul ini berlangsung selama 25 tahun?

Peningkatan panjang jaminan menjanjikan, tetapi pelabur atau pemaju mesti menyemak dengan teliti syarikat yang menyediakannya.

Rujukan

[1] IEA: " Kajian Kegagalan Modul Photovoltaic ", Tugas 13 laporan akhir luar, IEA-PVPS, Mac 2014.
[2] Dupont: " Panduan untuk memahami kecacatan panel solar: dari fabrikasi ke modul lapangan ", www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Crack statistik modul photovoltaic kristal ", Persidangan dan Pameran Tenaga Solar Photovoltaic Eropah ke-26, 2011.
[4] E Fitz: " Impak bawah baris kebolehpercayaan modul PV ", Dunia Tenaga Diperbaharui, Mac 2011.
[5] J Wolgemuth et al: " Mod kegagalan modul kristal Si ", Modul Kebolehpercayaan Modul PV 2010.
[6] M Zarmai: " Semakan teknologi interkoneksi bagi pemasangan modul photovoltaic sel solar silikon yang bertambah baik ", Tenaga Gunaan, 2015.
[7] M Koehl et al: kebolehpercayaan PV (Kluster II): Keputusan projek bersama empat tahun Jerman - Bahagian I, hasil percambahan ujian penuaan dan pemodelan degradasi, ke-25 EU-PVSEC, 2010.