Zonne-PV-module fouten en storingen

- Dec 09, 2019-

Bron: ee.co.za


Moderne PV-apparatuur op zonne-energie is ontworpen voor een betrouwbare werking gedurende de volledige levensduur van het product. Desondanks treden er nog steeds fabricagefouten en voortijdige storingen op die de prestaties van een product kunnen beïnvloeden.

Betrouwbaarheid en kwaliteit zijn ontworpen en ingebouwd in moderne zonne-PV-apparatuur. Massaproductie technieken, hoewel gecontroleerd, en slechte kwaliteitscontrole kunnen nog steeds fabricagefouten in het product introduceren, en veldinstallatie evenals transport kunnen schade veroorzaken, die allemaal de levensduur van producten kunnen verkorten.

Een belangrijke factor bij het verlagen van de kosten van fotovoltaïsche systemen is het vergroten van de betrouwbaarheid en de levensduur van de PV-modules. De statistieken van vandaag tonen degradatiesnelheden van het nominale vermogen voor PV-modules van kristallijn silicium van 0,8% / jaar [1]. Hoewel moderne producten zijn ontworpen om gebruik te maken van materialen van hogere kwaliteit en gemechaniseerde productie, heeft prijsconcurrentie geleid tot dunner en minder materiaal dat wordt gebruikt bij de productie van panelen. Bovendien zijn er aanwijzingen dat sommige fabrikanten zijn overgegaan op het gebruik van materialen van lagere kwaliteit om de prijzen te verlagen.

Voortijdig falen van panelen kan een grote financiële implicatie hebben voor PV-installaties, omdat de belangrijkste levenscycluskosten kapitaal zijn. Een storing van de PV-module is een effect dat het vermogen van de module verslechtert, wat niet wordt teruggedraaid door normaal bedrijf of een veiligheidsprobleem veroorzaakt.

Een puur cosmetisch probleem dat geen van deze gevolgen heeft, wordt niet beschouwd als een storing van de PV-module. Een storing in de PV-module is relevant voor de garantie wanneer deze optreedt onder omstandigheden die de module normaal ondervindt [1].

Typische storingen van producten zijn onderverdeeld in de volgende drie categorieën:

  • Falen bij baby's

  • Midlife mislukkingen

  • Wear-out storingen

Fig. 1 toont voorbeelden voor deze drie soorten storingen voor PV-modules. Naast deze modulestoringen vertonen veel PV-modules direct na installatie een door licht geïnduceerde vermogensafname (LID). De LID is een type storing dat hoe dan ook voorkomt en het nominale vermogen dat op het etiket van de PV-module wordt afgedrukt, wordt meestal aangepast door het verwachte gestandaardiseerde verzadigde vermogensverlies als gevolg van deze storing.


Fig. 1: Drie typische foutscenario's voor kristallijne fotovoltaïsche modules op basis van wafels [1].

Fig. 1: Drie typische foutscenario's voor kristallijne fotovoltaïsche modules op basis van wafels [1].


LID: door licht geïnduceerde degradatie
PID: mogelijk geïnduceerde afbraak
EVA: ethyleenvinylacetaat
J-box: Junction box


Fout en storing optreden

Gedetailleerde onderzoeken naar storingen tijdens de levensduur van panelen zijn niet beschikbaar, omdat de meeste installaties recent zijn en leveranciers terughoudend zijn om dergelijke cijfers vrij te geven. Rapporten van kindersterfteonderzoeken, dwz falen bij installatie, geven cijfers tussen 1 en 2% van alle geïnstalleerde panelen [3]. Er zijn verschillende simulatiestudies uitgevoerd met een versnelde levensduur, maar op een beperkt aantal panelen.

BP Solar heeft een uitvalpercentage van 0,13% gerapporteerd over een periode van acht jaar voor Solarex c-Si-panelen en Sandia National Laboratories heeft een uitvalpercentage van 0,05% per jaar voorspeld op basis van veldgegevens [4]. Dit zijn echter korte-termijncijfers voor het vroege leven en er zijn geen cijfers beschikbaar over mislukkingen in het late leven voor grootschalige installaties.

Grote defecten en storingen

Storingen kunnen worden onderverdeeld in soorten storingen die verband houden met prestaties en veiligheid. Defecten die verband houden met de veiligheid kunnen leiden tot materiële schade of persoonlijk letsel. Prestatiegerelateerde storingen leiden tot verlies of afname van het uitgangsvermogen.

Defecten treden op in de volgende gebieden:

  • De wafels of cellen in kristallijne PV-producten

  • De inkapseling

  • De glazen basis

  • Interne bedrading

  • Frame en fittingen

  • De amorfe lagen in amorfe PV

Wafer- of celfouten

Verslechtering van de efficiëntie van de cel is normaal gedurende de levensduur van de cel en wordt niet als een fout of storing beschouwd, tenzij de afbraaksnelheid de normale limieten overschrijdt. De meeste fouten in de wafer of cellen zullen barsten van de wafer en schade aan verbindingen en geleiders. Kleinere fouten komen voort uit schade door antireflecterende coating (ARC) en celcorrosie. Door licht geïnduceerde degradatie in amorfe zonnepanelen is een bekend effect en wordt niet noodzakelijkerwijs als een storing beschouwd. Mogelijk geïnduceerde degradatie is een nieuw fenomeen dat is verschenen als gevolg van steeds hogere spanningen die in PV-systemen worden gebruikt.

Anti-reflecterende coating delaminatie

Een anti-reflecterende coating (ARC) verhoogt de opname van licht en verhoogt daarom de stroomconversie van de module. ARC-delaminatie treedt op wanneer de anti-reflecterende coating van het siliciumoppervlak van de cel komt. Dit is geen ernstig defect tenzij er veel delaminatie is [2]. Onderzoek heeft aangetoond dat ARC-eigenschappen een oorzakelijke factor zijn in PID.

Cel kraken

Scheuren in PV-modules zijn alomtegenwoordig. Ze kunnen zich in verschillende fasen van de levensduur van de module ontwikkelen.

Vooral tijdens de productie veroorzaakt solderen hoge spanningen in de cellen. Hantering en trillingen tijdens het transport kunnen scheuren veroorzaken of uitbreiden [4]. Ten slotte ondervindt een module in het veld mechanische belastingen als gevolg van wind (druk en trillingen) en sneeuw (druk).

Microscheuren kunnen worden veroorzaakt of verergerd door:

  • Vervaardiging

  • Vervoer

  • Installatie

  • In gebruik zijnde stress (thermisch en anderszins)

Kristallijne wafels zijn in de loop der jaren in omvang toegenomen en in dikte afgenomen, waardoor het risico op breuk en barsten is toegenomen. Scheuren in zonnecellen zijn een reëel probleem voor PV-modules, omdat ze moeilijk te vermijden zijn en tot nu toe in feite onmogelijk te kwantificeren in hun impact op de efficiëntie van de module tijdens de levensduur. In het bijzonder kan de aanwezigheid van microscheuren slechts een marginaal effect hebben op de kracht van een nieuwe module, zolang de verschillende delen van de cellen nog steeds elektrisch zijn verbonden.

Naarmate de module ouder wordt en wordt blootgesteld aan thermische en mechanische spanningen, kunnen barsten worden geïntroduceerd. Een herhaalde relatieve beweging van de gebarsten celdelen kan resulteren in een volledige scheiding, wat resulteert in inactieve celdelen. Voor dit speciale geval is een duidelijke beoordeling van het vermogensverlies mogelijk. Voor een 60-cel, 230 W PV-module is het verlies van celonderdelen acceptabel zolang het verloren deel kleiner is dan 8% van het celoppervlak [3].


Fig. 2: Slakken door microscheuren in cellen [1].

Fig. 2: Slakken door microscheuren in cellen [1].


Microscheuren zijn scheuren in het siliciumsubstraat van de PV-cellen die vaak niet met het blote oog te zien zijn. Scheuren kunnen zich in verschillende lengtes en oriëntatie in een zonnecel vormen. Het plakken van de wafer, het rijgen van de celproductie en het inbeddingsproces tijdens het productieproces veroorzaakt celbreuken in de fotovoltaïsche cellen. Het rijgen van de zonnecellen heeft een bijzonder hoog risico op het introduceren van scheuren [1].

Er zijn drie verschillende bronnen van microscheuren tijdens de productie; elk heeft zijn eigen voorkomen waarschijnlijkheid:

  • Scheuren die beginnen bij het celverbindingslint worden veroorzaakt door de restspanning veroorzaakt door het soldeerproces. Deze scheuren bevinden zich vaak aan het einde of beginpunt van de connector, omdat er de hoogste restspanning is. Dit type scheur komt het meest voor.

  • De zogenaamde kruisbreuk, die wordt veroorzaakt door machines die tijdens de productie op de wafel drukken.

  • Scheuren vanaf de rand van de cel worden veroorzaakt doordat de cel tegen een hard voorwerp botst.

Zodra er celscheuren aanwezig zijn in een zonnemodule, is er een verhoogd risico dat tijdens werking van de zonnemodule korte celscheuren zich kunnen ontwikkelen tot langere en bredere scheuren. Dit komt door mechanische stress veroorzaakt door wind- of sneeuwbelasting en thermomechanische stress op de zonnepanelen als gevolg van temperatuurschommelingen veroorzaakt door passerende wolken en variaties in het weer.

Microscheuren kunnen verschillende oorzaken hebben en resulteren in tamelijk "zachte" resultaten, zoals opbrengstverlagende verbrijzeling van delen van de aangetaste cel tot meer ernstige invloeden met afname van de kortsluitstroom en celefficiëntie. Visueel kunnen microscheuren verschijnen in de vorm van zogenaamde "slakpaden" op de celstructuur. Slakkenpaden kunnen echter - als een langdurig impactteken - ook het gevolg zijn van een chemisch proces waardoor het oppervlak van de cel verandert en / of hete plekken ontstaan.

Afhankelijk van het scheurpatroon van de grotere scheuren, kunnen de thermische, mechanische stress en vochtigheid leiden tot "dode" of "inactieve" celonderdelen die een verlies van vermogen van de getroffen fotovoltaïsche cel veroorzaken. Een dood of inactief celdeel betekent dat dit specifieke deel van de fotovoltaïsche cel niet langer bijdraagt aan het totale vermogen van de zonnemodule. Wanneer dit dode of inactieve deel van de fotovoltaïsche cel groter is dan 8% van het totale celoppervlak, zal dit leiden tot een vermogensverlies dat ongeveer lineair toeneemt met het inactieve celgebied [1].

Scheuren kunnen in de loop van een langere bedrijfstijd groeien en vergroten zo hun schadelijke invloed op de functionaliteit en prestaties van een PV-module, wat mogelijk ook hotspots veroorzaakt. Niet-gedetecteerde microscheuren kunnen leiden tot een kortere levensduur dan in het veld. Ze verschillen in grootte, locatie op de cel en impactkwaliteit.

Microscheuren kunnen in het veld worden gedetecteerd vóór installatie en gedurende de levensduur van een project. Er zijn verschillende kwaliteitstestmethoden om microscheuren te identificeren waarvan elektroluminescentie (EL) of elektroluminescentiebarstdetectie (ELCD) een van de meest toegepaste methoden is. EL-testen kunnen verborgen defecten detecteren die voorheen niet konden worden getraceerd door andere testmethoden, zoals infrarood (IR) beeldvorming met thermische camera's, VA-karakteristiek en flitstesten [1]. Sommige fabrikanten adviseren een regelmatige inspectie van geïnstalleerde panelen gedurende de levensduur [3].

Inkapseling fouten

Een zonnepaneel is een "sandwich", opgebouwd uit verschillende lagen materiaal (afb. 3).


Fig. 3: Componenten van een PV-module [2].

Fig. 3: Componenten van een PV-module [2].


Inkapselende materialen worden gebruikt om:

  • Bestand tegen hitte, vochtigheid, UV-straling en thermische cycli

  • Zorg voor een goede hechting

  • Optisch glas koppelen aan cellen

  • Componenten elektrisch isoleren

  • Controle, verminderen of elimineren van binnendringend vocht

Het meest co- mmon materiaal dat wordt gebruikt voor inkapseling is ethaline vinylacetaat (EVA). Falen van de encapsulant kan falen of achteruitgang van de PV-module tot gevolg hebben.

Hechtingsfout

De hechting tussen het glas, inkapselingsmiddel, actieve lagen en achterlagen kan om vele redenen worden aangetast. Dunne-film en andere soorten PV-technologie kunnen ook een transparant geleidend oxide (TCO) of vergelijkbare laag bevatten die kan delamineren uit een aangrenzende glaslaag.

Doorgaans zal de hechting optreden als gevolg van vervuiling (bijv. Onjuiste reiniging van het glas) of omgevingsfactoren, delaminatie gevolgd door binnendringend vocht en corrosie. Delaminatie op interfaces binnen het optische pad zal resulteren in optische reflectie (bijv. Tot 4%, vermogensverlies, bij een enkele lucht / polymeer interface) en vervolgens stroomverlies (vermogen) van de modules [1].

Azijnzuur productie

EVA-platen reageren met het vocht en vormen azijnzuur dat het corrosieproces van de binnencomponent van componenten van de PV-module versnelt. Dit kan ook het gevolg zijn van het verouderingsproces van EVA en kan zilvercontacten aanvallen en de celproductie beïnvloeden. Voor permeabele achterplaten is dit geen probleem omdat het azijnzuur kan ontsnappen. Voor ondoordringbare achterplaten kan dit defect echter in de loop van de tijd aanzienlijke vermogensverliezen veroorzaken.

Verkleuring inkapseling

Dit zal enig transmissieverlies en dus minder vermogen tot gevolg hebben. De verkleuring is te wijten aan het bleken van zuurstof, dus met een ademende achterlaag verkleurt het centrum van cellen terwijl de buitenringen helder blijven. Dit kan optreden als gevolg van slechte verknoping en / of additieven in de EVA-formulering.


Fig. 4: Verkleurde EVA [5].

Fig. 4: Verkleurde EVA [5].


Zonder concentratie duurt het vijf tot tien jaar om verkleuring te zien en langer om het uitgangsvermogen merkbaar te verminderen. Het is niet de EVA zelf die verkleurt, maar additieven in de formulering. Dit defect kan voorkomen dat enig licht het paneel bereikt [5].


delaminatie

Delaminatie is de scheiding van het inkapselingsmiddel van het glas of de cel. Delaminatie kan plaatsvinden tussen superstraat (glas), substraat (achterblad) en inkapselmiddel of tussen inkapselmiddel en cellen. Delaminatie van het voorglas kan optreden als gevolg van slechte EVA-hechting of slechte glasreinigingsprocedures tijdens het fabricageproces. Dit defect kan voorkomen dat een beetje licht het paneel bereikt. Het probleem kan ernstiger worden als vocht zich ophoopt in de leegte en kortsluiting in de buurt van de soldeerdraden veroorzaakt.

Delaminatie uit de cel wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door slechte verknoping of vervuiling van het celoppervlak. Dit defect kan ernstig zijn omdat wanneer er een luchtbel in het laminaat ontstaat, er kans is op vochtophoping en kortsluiting. Delaminatie van het inzetstuk treedt op als de EVA niet goed hecht aan het inzetstuk tijdens de fabricage.

De nieuwe paden en de daaropvolgende corrosie na delaminatie verminderen de prestaties van de module, maar vormen niet automatisch een veiligheidsprobleem. De delaminatie van het achterblad kan echter de mogelijkheid van blootstelling aan actieve elektrische componenten mogelijk maken. Wanneer een module is geconstrueerd met glazen voor- en achterplaten, kunnen er extra spanningen zijn die delaminatie en / of glasbreuk bevorderen.

Achterbladdefecten

Het achterblad van een module dient om elektronische componenten te beschermen tegen directe blootstelling aan de omgeving en om een veilige werking te bieden in de aanwezigheid van hoge DC-spanningen. Achterplaten kunnen uit glas of polymeren bestaan en kunnen een metaalfolie bevatten.


Fig. 5: Delaminatie (Rycroft).

Fig. 5: Delaminatie (Rycroft).


Meestal bestaat een achterblad uit een laminaatstructuur met een zeer stabiel en UV-bestendig polymeer, vaak een fluorpolymeer aan de buitenkant, direct blootgesteld aan de omgeving, een binnenlaag van PET, gevolgd door de inkapselingslaag [1] .

Wanneer een achterglas wordt gebruikt in plaats van een achterblad, kan dit mislukken door te breken. Als de module is geconstrueerd als een dunne-filmapparaat op de achterplaat (substraat CIGS), vormt dit een aanzienlijk veiligheidsrisico naast aanzienlijk of, meer waarschijnlijk, volledig vermogensverlies voor die module. Er kan een kleine opening zijn langs de scheuren en enige spanning die in staat is om een elektrische boog te produceren en in stand te houden.

Als dit gebeurt in combinatie met het falen van een bypass-diode, kan de volledige systeemspanning over de opening aanwezig zijn, waardoor een grote en aanhoudende boog ontstaat die waarschijnlijk glas zal smelten en mogelijk een brand kan veroorzaken. Als een glazen achterplaat zou breken in een typische kristallijne Si-module, zou er nog steeds een laag inkapselingsmiddel zijn om een kleine mate van elektrische isolatie te bieden.

Delaminatie van de EVA kan optreden als gevolg van slechte hechting tussen de EVA en de achterplaat of als de hechtlaag van de achterplaat is beschadigd door blootstelling aan UV-straling of een temperatuurstijging.

Voorzijde vergeling wordt veroorzaakt door een degradatie van het polymeer dat wordt gebruikt om de hechting van het specifieke achterblad aan het inkapselingsmiddel te bevorderen. Vergeling wordt vaak geassocieerd met verslechterende mechanische eigenschappen. Met dit defect is het waarschijnlijk dat het achtervel uiteindelijk zal delamineren en / of barsten [3].

Luchtzijdige vergeling is een teken van UV-gevoeligheid die kan worden versneld door hoge temperaturen. Dit defect treedt ook op in sommige achtervellen als gevolg van thermische degradatie. Vergeling wordt vaak geassocieerd met verslechterende mechanische eigenschappen. Met dit defect is het waarschijnlijk dat het achtervel uiteindelijk zal delamineren en / of barsten [3].

Hot spots

Hot-spot verwarming vindt plaats in een module wanneer de bedrijfsstroom de verminderde kortsluitstroom ( Isc ) van een beschaduwde of defecte cel of groep cellen overschrijdt. Wanneer een dergelijke toestand zich voordoet, wordt de getroffen cel of groep cellen gedwongen in omgekeerde voorspanning en moet de macht worden afgevoerd.


Fig. 6: Kristallijne silicium zonnecellen in serie verbonden met tablint [6].

Fig. 6: Kristallijne silicium zonnecellen in serie verbonden met tablint [6].


Als de vermogensdissipatie hoog genoeg of voldoende gelokaliseerd is, kan de omgekeerde voorgespannen cel oververhit raken, wat resulteert in smelten van soldeer en / of silicium en verslechtering van het inkapselingsmiddel en achterblad [5].


Geleiderlint en verbindingsfouten

Zonnecellen zijn uitgerust met twee basiselementen, de voor- en achtercontacten, waardoor stroom aan het externe circuit kan worden geleverd. Stroom wordt gedragen door busstroken die aan de voor- en achtercontacten zijn gesoldeerd. Een storing van het stringlint wordt geassocieerd met verlies van uitgangsvermogen. Verbindingsonderbrekingen treden op als gevolg van thermische uitzetting en krimp of herhaalde mechanische spanning. Bovendien dragen dikker lint of knikken in lint bij aan het verbreken van verbindingen, en resulteren in kortgesloten cellen en open-gesloten cellen.

Een cruciaal onderdeel van de module zijn de soldeerverbindingen. Ze bestaan uit vele aan elkaar gehechte materialen, waaronder het soldeer, bus-bar, lint en de siliciumwafer. Deze materialen hebben verschillende thermische en mechanische eigenschappen. Bij het lijmen ontwikkelt het samenstel problemen met de thermomechanische betrouwbaarheid die worden veroorzaakt door verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt van de gelijmde materialen. Het soldeer zorgt voor een verbinding tussen de elektrode en het lint.

De temperatuur van de PV-module varieert afhankelijk van het lokale weer, wat op zijn beurt de snelheid van de degradatie van de soldeerverbinding beïnvloedt. In een levenslange voorspellingsmodelanalyse werd gemeld dat voor hetzelfde type c-Si PV-modules in verschillende weersomstandigheden de levensduur het kortst was in een woestijn, gevolgd door die in de tropen.

Hoewel het gebruik van een soldeerproces bij de assemblage van zonnecellen in PV-modules het voordeel heeft dat het producten oplevert die een hoge betrouwbaarheid hebben tegen minimale productiekosten, vindt de technologie plaats bij hoge temperatuur met inherent potentieel om schuifspanning in de siliciumwafel te produceren. Falen en degradatie van soldeerverbindingen veroorzaakt een toename van de serieweerstand, wat leidt tot vermogensverlies.

Levensduur van modules

Alle bovengenoemde fouten dragen bij aan de degradatie en het uiteindelijke falen van PV-panelen. PV-modules zijn ontworpen om 20 jaar of langer mee te gaan en nieuwe modules ondergaan versnelde testprogramma's die de effecten van hitte, vochtigheid, temperatuurwisselingen, UV-straling en andere factoren simuleren [5]. De resultaten van testprogramma's uitgevoerd door Kohl worden getoond in Fig. 7 [7].


Fig. 7: Versnelde verouderingstests op commerciële c-Si-modules [7].

Fig. 7: Versnelde verouderingstests op commerciële c-Si-modules [7].


Een genormaliseerd vermogensniveau van 0,8 wordt meestal als einde levensduur beschouwd voor een PV-paneel. Uit de testcurven blijkt dat de panelen na dit punt snel verslechteren.


Begin jaren negentig waren tienjarige garanties typerend. Tegenwoordig bieden bijna alle fabrikanten garanties van 20 tot 25 jaar. Maar een garantie van 25 jaar betekent niet dat het project beschermd is. Men moet de volgende vragen stellen:

  • Zal de moduleleverancier er over 15 jaar zijn wanneer er problemen worden aangetroffen?

  • Financiert de leverancier een escrow-account om ervoor te zorgen dat als het project is verdwenen, het project wordt beschermd?

  • Vertrouwt de leverancier eenvoudig op IEC-kwalificatietests om beweringen te doen over duurzaamheid op lange termijn?

  • Als de leverancier pas vijf jaar bestaat, hoe kan hij dan beweren dat de modules 25 jaar meegaan?

De toename van de garantietermijn is veelbelovend, maar een investeerder of ontwikkelaar moet het bedrijf dat deze verstrekt zorgvuldig onderzoeken [4].

Referenties

[1] IEA: " Beoordeling van storingen van fotovoltaïsche modules ", taak 13 extern eindrapport, IEA-PVPS, maart 2014.
[2] Dupont: " Een gids voor het begrijpen van defecten aan zonnepanelen: van fabricage tot veldmodules", www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Crackstatistieken van kristallijne fotovoltaïsche modules ", 26e Europese fotovoltaïsche zonne-energieconferentie en tentoonstelling, 2011.
[4] E Fitz: " De bottom-line impact van de betrouwbaarheid van PV-modules ", Renewable Energy World, maart 2011.
[5] J Wolgemuth et al: " Faalwijzen van kristallijne Si-modules ", PV Module Reliability Workshop 2010.
[6] M Zarmai: " Een overzicht van interconnectietechnologieën voor verbeterde assemblage van fotovoltaïsche modules van kristallijn silicium zonnecellen ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: PV-betrouwbaarheid (Cluster II): resultaten van een Duits vierjarig gezamenlijk project - Deel I, resultaten versnelde verouderingstests en modellering van degradatie, 25e EU-PVSEC, 2010.