Неисправности и недостатки солнечного фотоэлектрического модуля

Источник: ee.co.za

Современное солнечное фотоэлектрическое оборудование рассчитано на надежную работу в течение всего срока службы изделия. Несмотря на это производственные дефекты и преждевременные сбои все еще возникают, которые могут повлиять на производительность продукта.

Надежность и качество разработаны и встроены в современное солнечное фотоэлектрическое оборудование. Технологии массового производства, хотя они и контролируются, и плохой контроль качества могут по-прежнему вносить производственные дефекты в продукт, а установка в полевых условиях, а также транспортировка могут привести к повреждению, что может сократить срок службы продукции.

Одним из ключевых факторов снижения затрат на фотоэлектрические системы является повышение надежности и срока службы фотоэлектрических модулей. Сегодняшняя статистика показывает скорость деградации номинальной мощности для кристаллических кремниевых фотоэлектрических модулей 0,8% / год [1]. Хотя современные продукты предназначены для использования материалов более высокого качества и механизированного производства, ценовая конкуренция привела к использованию более тонкого и меньшего количества материала при производстве панелей. Кроме того, есть свидетельства того, что некоторые производители вернулись к использованию материалов более низкого качества для снижения цен.

Преждевременный выход из строя панелей может иметь серьезные финансовые последствия для фотоэлектрических установок, поскольку основными затратами в течение жизненного цикла являются капитальные затраты. Отказ фотоэлектрического модуля - это эффект, который либо снижает мощность модуля, которая не восстанавливается при нормальной работе, либо создает проблему безопасности.

Чисто косметическая проблема, которая не имеет ни одного из этих последствий, не рассматривается как отказ модуля PV. Отказ фотоэлектрического модуля имеет значение для гарантии, когда он возникает в условиях, которые обычно возникают в модуле [1].

Обычно сбои продуктов делятся на следующие три категории:

• Младенческие сбои

• Сбои среднего возраста

• Износ износа

На рис. 1 показаны примеры этих трех типов отказов для фотоэлектрических модулей. Помимо этих отказов модулей, многие фотоэлектрические модули демонстрируют вызванное светом снижение мощности (LID) сразу после установки. LID - это тип отказа, который происходит в любом случае, и номинальная мощность, напечатанная на этикетке фотоэлектрического модуля, обычно регулируется ожидаемой стандартизированной потерей насыщенной мощности из-за этого отказа.

Рис. 1: Три типичных сценария отказов кристаллических фотоэлектрических модулей на основе пластин [1].

LID: вызванная светом деградация
PID: потенциальная деградация
ЕВА: этиленвинилацетат
J-коробка: распределительная коробка

Неисправность и возникновение отказа

Детальные исследования неисправностей в процессе эксплуатации в течение всего срока службы панелей недоступны, так как большинство установок установлены недавно, и поставщики неохотно публикуют такие цифры. В отчетах об исследованиях младенческой смертности, т.е. об отказе при установке, приводятся цифры от 1 до 2% от всех установленных панелей [3]. Было проведено несколько имитационных исследований с ускоренным сроком службы, но на ограниченном количестве панелей.

BP Solar сообщила о частоте отказов 0,13% в течение восьмилетнего периода для панелей Solarex c-Si, а Национальная лаборатория Sandia прогнозирует частоту отказов 0,05% в год на основании полевых данных [4]. Однако это краткосрочные данные о ранних сроках эксплуатации, и данные о сбоях с поздним сроком службы для крупномасштабных установок отсутствуют.

Основные дефекты и неисправности

Отказы можно разделить на типы ошибок, связанные с производительностью и безопасностью. Отказы, связанные с безопасностью, могут привести к повреждению имущества или травмам персонала. Отказы, связанные с производительностью, приводят к потере или падению выходной мощности.

Дефекты возникают в следующих областях:

• Вафли или клетки в кристаллических продуктах PV

• Инкапсуляция

• Стеклянная основа

• Внутренняя проводка

• Рама и фитинги

• Аморфные слои в аморфном ПВ

Неисправность вафли или ячейки

Ухудшение эффективности элемента является нормальным в течение срока службы элемента и не рассматривается как неисправность или отказ, если скорость деградации не превышает нормальных пределов. Большинство дефектов пластин или ячеек - это растрескивание пластины и повреждение соединений и проводников. Меньшие дефекты возникают из-за повреждения антибликового покрытия (ARC) и коррозии элемента. Вызванная светом деградация в аморфных солнечных панелях является известным эффектом и не обязательно считается отказом. Потенциально-индуцированная деградация - это новое явление, возникшее в результате все более высоких напряжений, используемых в фотоэлектрических системах.

Антибликовое покрытие отслаивание

Антибликовое покрытие (ARC) увеличивает захват света и, следовательно, увеличивает преобразование мощности модуля. Расслоение ARC происходит, когда антибликовое покрытие сходит с поверхности кремния элемента. Это не является серьезным дефектом, если нет большого расслоения [2]. Исследования показали, что свойства ARC являются причинным фактором в PID.

Растрескивание клеток

Трещины в фотоэлектрических модулях повсеместны. Они могут развиваться на разных этапах жизни модуля.

В частности, при изготовлении пайка вызывает высокие напряжения в ячейках. Перемещение и вибрации при транспортировке могут вызвать или расширить трещины [4]. Наконец, модуль в поле испытывает механические нагрузки из-за ветра (давление и вибрации) и снега (давление).

Микротрещины могут быть вызваны или усугублены:

• Производство

• Транспорт

• Установка

• Стресс в процессе эксплуатации (термический и др.)

Кристаллические пластины увеличились в размерах и уменьшились в толщине с годами, увеличивая вероятность разрушения и растрескивания. Трещины в солнечных элементах представляют собой настоящую проблему для фотоэлектрических модулей, так как их трудно избежать, и до настоящего времени практически невозможно количественно оценить их влияние на эффективность модуля в течение срока его службы. В частности, наличие микротрещин может оказывать лишь незначительное влияние на мощность нового модуля, если различные части ячеек все еще электрически соединены.

Поскольку модуль стареет и подвергается термическим и механическим воздействиям, могут появиться трещины. Повторное относительное движение частей ячейки с трещинами может привести к полному разделению, что приводит к неактивным частям ячейки. Для этого особого случая возможна четкая оценка потери мощности. Для фотоэлемента на 60 ячеек, 230 Вт, потеря частей ячейки является приемлемой, если потеря части составляет менее 8% площади ячейки [3].

Рис. 2: Следы улитки из-за микротрещин в клетках [1].

Микротрещины - это трещины в кремниевой подложке фотоэлементов, которые часто не видны невооруженным глазом. Трещины могут образовываться различной длины и ориентации в солнечном элементе. Разрезание вафель, расслоение производства ячеек и процесс встраивания во время производственного процесса вызывают трещины в фотоэлектрических элементах. Процесс струны солнечных элементов имеет особенно высокий риск появления трещин [1].

Существует три разных источника микротрещин во время производства; у каждого своя вероятность появления:

• Трещины, начинающиеся с соединительной ленты ячейки, вызваны остаточным напряжением, вызванным процессом пайки. Эти трещины часто находятся в конце или в начальной точке соединителя, потому что существует наибольшее остаточное напряжение. Этот тип трещины является наиболее частым.

• Так называемая поперечная трещина, которая вызывается механическим прессованием пластин во время производства.

• Трещины, начинающиеся от края ячейки, вызваны воздействием ячейки на твердый предмет.

Когда в солнечном модуле присутствуют трещины элементов, существует повышенный риск того, что во время работы солнечного модуля короткие трещины элементов могут перерасти в более длинные и более широкие трещины. Это происходит из-за механического напряжения, вызванного ветровой или снежной нагрузкой, и термомеханического воздействия на солнечные модули из-за колебаний температуры, вызванных проходящими облаками, и изменений погоды.

Микротрещины могут иметь различное происхождение и приводить к довольно «мягким» результатам, таким как разрушающее разрушение частей пораженной ячейки, вплоть до более серьезных воздействий, связанных с уменьшением тока короткого замыкания и эффективности ячейки. Визуально микротрещины могут появляться в виде так называемых «следов улитки» на структуре клетки. Однако следы улитки - как признак долговременного воздействия - также могут быть результатом химического процесса, вызывающего изменение поверхности клетки и / или горячих точек.

В зависимости от структуры трещин более крупных трещин термические, механические нагрузки и влажность могут привести к «мертвым» или «неактивным» частям элемента, которые вызывают потерю выходной мощности от фотоэлектрического элемента, на который влияют. Мертвая или неактивная часть элемента означает, что эта конкретная часть фотоэлектрического элемента больше не влияет на общую выходную мощность солнечного модуля. Когда эта мертвая или неактивная часть фотоэлектрического элемента превышает 8% общей площади элемента, это приведет к потере мощности, примерно линейно увеличивающейся с площадью неактивного элемента [1].

Трещины потенциально растут в течение более продолжительного времени работы и, таким образом, оказывают вредоносное влияние на функциональность и производительность фотоэлектрического модуля, потенциально также вызывая горячие точки. Не обнаруженные микротрещины могут привести к снижению ожидаемой продолжительности жизни в полевых условиях. Они отличаются по размеру, расположению на ячейке и качеству удара.

Микротрещины могут быть обнаружены в полевых условиях перед установкой и в течение срока службы проекта. Существуют различные методы проверки качества для выявления микротрещин, из которых электролюминесцентное (EL) или электролюминесцентное обнаружение трещин (ELCD) является одним из наиболее применяемых методов. EL тестирование может обнаружить скрытые дефекты, которые раньше не могли быть обнаружены другими методами тестирования, такими как инфракрасное (ИК) изображение с тепловизионными камерами, характеристика VA и тестирование вспышки [1]. Некоторые производители рекомендуют регулярно проверять установленные панели в течение срока службы [3].

Ошибки инкапсуляции

Солнечная панель - это «сэндвич», состоящий из разных слоев материалов (рис. 3).

Рис. 3: Компоненты фотоэлектрического модуля [2].

Инкапсулирующие материалы используются для:

• Сопротивление жаре, влажности, ультрафиолетовому излучению и термоциклированию

• Обеспечить хорошую адгезию

• Оптически соединить стекло с клетками

• Электрически изолировать компоненты

• Контролировать, уменьшать или исключать попадание влаги

Наиболее распространенным материалом, используемым для инкапсуляции, является этилавинилацетат (ЭВА). Отказ герметика может привести к выходу из строя или повреждению фотоэлектрического модуля.

Нарушение адгезии

Адгезия между стеклом, герметиком, активными слоями и задними слоями может быть нарушена по многим причинам. Тонкопленочные и другие типы фотоэлектрических технологий также могут содержать прозрачный проводящий оксид (TCO) или подобный слой, который может расслаиваться от соседнего стеклянного слоя.

Как правило, если адгезия нарушается из-за загрязнения (например, неправильной очистки стекла) или факторов окружающей среды, происходит расслоение, сопровождаемое проникновением влаги и коррозией. Расслоение на интерфейсах в оптическом тракте приведет к оптическому отражению (например, до 4%, потерям мощности на одной границе раздела воздух / полимер) и последующей потере тока (мощности) от модулей [1].

Производство уксусной кислоты

Листы EVA реагируют с влагой с образованием уксусной кислоты, которая ускоряет процесс коррозии внутреннего компонента компонентов фотоэлектрического модуля. Это также может быть результатом процесса старения ЭВА и может воздействовать на серебряные контакты и влиять на производство клеток. Для проницаемых задних листов это не проблема, поскольку уксусная кислота может выделяться. Однако для непроницаемых задних листов этот дефект может привести к значительным потерям мощности с течением времени.

Герметизирующее обесцвечивание

Это приведет к некоторой потере передачи и, следовательно, к снижению мощности. Обесцвечивание происходит из-за обесцвечивания кислорода, поэтому с воздухопроницаемой задней стенкой центр клеток обесцвечивается, а внешние кольца остаются чистыми. Это может происходить из-за плохого сшивания и / или добавок в составе EVA.

Рис. 4: обесцвеченная ЭВА [5].

Без концентрации требуется пять-десять лет, чтобы увидеть обесцвечивание и дольше, чтобы начать заметно снижать выходную мощность. Обесцвечивается не сам EVA, а добавки в составе. Этот дефект может препятствовать попаданию света на панель [5].

расслаивание

Расслоение - это отделение герметика от стекла или ячейки. Расслоение может происходить между суперстратом (стекло), субстратом (задний лист) и герметиком или между герметиком и клетками. Отслоение от переднего стекла может происходить из-за плохой адгезии EVA или плохой очистки стекла в процессе изготовления. Этот дефект может препятствовать попаданию света на панель. Проблема может стать более серьезной, если влажность накапливается в пустоте и создает короткие замыкания рядом с проводами припоя.

Расслоение от клетки, скорее всего, вызвано плохой перекрестной связью или загрязнением поверхности клетки. Этот дефект может быть серьезным, поскольку при образовании пузырьков воздуха в ламинате существует вероятность накопления влаги и коротких замыканий. Расслоение от вставки происходит, если EVA не прилипало к вставке во время изготовления.

Новые пути и последующая коррозия после расслаивания снижают производительность модуля, но автоматически не создают проблемы безопасности. Однако расслаивание заднего листа может привести к возможности воздействия активных электрических компонентов. Когда модуль изготовлен с использованием стеклянных передней и задней панелей, могут возникать дополнительные напряжения, усиливающие расслаивание и / или разбитие стекла.

Дефекты заднего листа

Задний лист модуля служит как для защиты электронных компонентов от прямого воздействия окружающей среды, так и для обеспечения безопасной работы при наличии высокого напряжения постоянного тока. Задние листы могут состоять из стекла или полимеров и могут включать металлическую фольгу.

Рис. 5: Расслоение (Райкрофт).

Чаще всего задний лист состоит из слоистой структуры с высокостабильным и стойким к ультрафиолетовому излучению полимером, часто снаружи с фторполимером, непосредственно под воздействием окружающей среды, с внутренним слоем ПЭТФ, за которым следует слой герметика [1] ,

Когда вместо заднего листа используется заднее стекло, оно может выйти из строя, разбившись. Если модуль выполнен в виде тонкопленочного устройства на задней панели (подложка CIGS), то это представляет значительную угрозу безопасности в дополнение к значительной или, что более вероятно, полной потере мощности для этого модуля. Может быть небольшой зазор вдоль трещин и некоторое напряжение, которое способно производить и поддерживать электрическую дугу.

Если это происходит в сочетании с выходом из строя обходного диода, напряжение всей системы может присутствовать через зазор, создавая большую и устойчивую дугу, которая может расплавить стекло, что может привести к пожару. Тем не менее, если стеклянный задний лист разобьется в типичном модуле кристаллического Si, все равно будет слой герметика, чтобы обеспечить небольшую степень электрической изоляции.

Отслоение от EVA может произойти из-за плохой адгезии между EVA и задним листом или если адгезионный слой заднего листа поврежден воздействием ультрафиолета или повышением температуры.

Пожелтение лицевой стороны вызвано деградацией полимера, используемого для ускорения адгезии конкретного заднего слоя к герметику. Пожелтение часто связано с ухудшением механических свойств. С этим дефектом, вероятно, что задний лист может в конечном итоге расслаиваться и / или растрескиваться [3].

Пожелтение на стороне воздуха является признаком чувствительности к ультрафиолетовому излучению, которое может ускоряться при высоких температурах. Этот дефект также возникает в некоторых задних листах в результате термического разложения. Пожелтение часто связано с ухудшением механических свойств. С этим дефектом, вероятно, что задний лист может в конечном итоге расслаиваться и / или растрескиваться [3].

Горячие точки

Нагрев горячей точки происходит в модуле, когда его рабочий ток превышает уменьшенный ток короткого замыкания (I _sc ) затененной или неисправной ячейки или группы ячеек. Когда возникает такое состояние, пораженная ячейка или группа ячеек вынуждены обратного смещения и должны рассеивать мощность.

Рис. 6: Кристаллические кремниевые солнечные элементы, соединенные последовательно с полосатой лентой [6].

Если рассеиваемая мощность достаточно высока или достаточно локализована, элемент с обратным смещением может перегреться, что приведет к расплавлению припоя и / или кремния и ухудшению герметизации и защитного слоя [5].

Проволочная лента и повреждения суставов

Солнечные элементы оснащены двумя основными элементами, передним и задним контактами, что позволяет подавать ток во внешнюю цепь. Ток несут полосы шины, которые припаяны к передним и задним контактам. Отказ ленты струны связан с потерей выходной мощности. Разрывы соединения возникают в результате теплового расширения и сжатия или повторного механического напряжения. Кроме того, более толстая лента или перегибы в ленте способствуют разрыву соединений и приводят к короткозамкнутым ячейкам и разомкнутым ячейкам.

Важнейшей частью модуля являются соединения паяных соединений. Они состоят из множества материалов, связанных вместе, включая припой, шину, ленту и кремниевую пластину. Эти материалы обладают различными термическими и механическими свойствами. При склеивании сборки возникают проблемы термомеханической надежности, которые вызваны различиями в коэффициенте теплового расширения связанных материалов. Припой обеспечивает соединение между электродом и лентой.

Температура фотоэлектрического модуля изменяется в зависимости от местной погоды, что, в свою очередь, влияет на скорость ухудшения межсоединения припоя. В анализе моделирования с прогнозированием продолжительности жизни было сообщено, что для одного и того же типа фотоэлектрических модулей c-Si, расположенных в различных погодных условиях, время жизни было самым коротким в пустыне, а затем в тропиках.

Хотя использование процесса пайки в сборке солнечных элементов в фотоэлектрических модулях имеет преимущество в получении продуктов, которые обладают высокой надежностью при минимальных производственных затратах, технология имеет место при высокой температуре с присущим потенциалом для создания напряжения сдвига в кремниевой пластине. Отказ и разрушение паяных соединений приводит к увеличению последовательного сопротивления, что приводит к потере мощности.

Время жизни модуля

Все вышеперечисленные неисправности способствуют деградации и окончательному выходу из строя фотоэлектрических панелей. Фотоэлектрические модули рассчитаны на работу в течение 20 и более лет, а новые модули проходят программы ускоренных испытаний, которые имитируют воздействие тепла, влажности, циклического изменения температуры, ультрафиолетового излучения и других факторов [5]. Результаты тестовых программ, проведенных Колем, приведены на рис. 7 [7].

Рис. 7: Испытания на ускоренное старение на коммерческих модулях c-Si [7].

Нормализованный уровень мощности 0,8 обычно принимается как конец срока службы фотоэлектрической панели. Из кривых испытаний видно, что панели после этой точки быстро разрушаются.

В начале 1990-х годов десятилетние гарантии были типичными. Сегодня почти все производители предлагают гарантии от 20 до 25 лет. Но 25-летняя гарантия не означает, что проект защищен. Нужно задать следующие вопросы:

• Поставщик модуля будет через 15 лет, когда возникнут проблемы?

• Финансирует ли поставщик целевой депозитный счет, чтобы гарантировать, что в случае его отсутствия проект будет защищен?

• Поставщик просто полагается на квалификационные тесты МЭК, чтобы заявить о долгосрочной долговечности?

• Если поставщик существует всего пять лет, как он может утверждать, что модули работают в течение 25 лет?

Увеличение срока гарантии многообещающе, но инвестор или девелопер должен тщательно проверить предоставившую ее компанию [4].

Ссылки

[1] МЭА: « Обзор отказов фотоэлектрических модулей », внешний итоговый отчет по задаче 13, МЭА-PVPS, март 2014 г.
[2] Дюпон: « Руководство по пониманию дефектов солнечных батарей: от изготовления до полевых модулей », www.dupont.com
[3] М.Контжес и др. « Статистика трещин кристаллических фотоэлектрических модулей », 26-я Европейская конференция и выставка по фотоэлектрической солнечной энергии, 2011 г.
[4] Э Фитц: « Последствия влияния надежности фотоэлектрических модулей », мир возобновляемых источников энергии, март 2011 г.
[5] Дж. Вольгемут и др. « Режимы отказа модулей кристаллического Si », семинар по надежности фотоэлектрических модулей, 2010 г.
[6] М.Зармаи: « Обзор технологий межсоединений для улучшенной сборки фотоэлектрических модулей на солнечных элементах из кристаллического кремния », Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl и др.: Надежность PV (кластер II): результаты немецкого четырехлетнего совместного проекта - часть I, результаты ускоренных испытаний на старение и моделирование деградации, 25-й EU-PVSEC, 2010.