Falles i fallades del mòdul fotovoltaic

Font: ee.co.za

Els equips fotovoltaics moderns estan dissenyats per a un funcionament fiable durant tota la vida del producte. Malgrat això, encara es produeixen defectes de fabricació i fallades prematures que poden afectar el rendiment d’un producte.

La fiabilitat i la qualitat estan dissenyades i integrades en equips fotovoltaics solars moderns. Les tècniques de producció massiva, encara que controlades i un control de qualitat deficient, poden introduir defectes de fabricació en el producte, i la instal·lació al camp, així com el transport, poden provocar danys, cosa que pot reduir la vida útil dels productes.

Un dels factors clau per reduir els costos dels sistemes fotovoltaics és augmentar la fiabilitat i la vida útil dels mòduls fotovoltaics. Les estadístiques actuals mostren taxes de degradació de la potència nominal dels mòduls fotovoltaics de silici cristal·lí del 0,8% / any [1]. Tot i que els productes moderns estan dissenyats per fer ús de materials d’alta qualitat i fabricació mecanitzada, la competència de preus ha tingut com a resultat que s’utilitzin menys materials i més prims en la fabricació de panells. A més, hi ha proves que algunes manufactures han revertit en l'ús de materials de menor qualitat per abaratir preus.

El fracàs prematur dels panells pot tenir una important implicació financera per a les instal·lacions fotovoltaiques, ja que el cost del cicle de vida principal és el capital. Una fallada del mòdul fotovoltaic és un efecte que degrada la potència del mòdul que no es reverteix pel funcionament normal o crea un problema de seguretat.

Un problema purament cosmètic que no té cap de les dues conseqüències no es considera com a fallada del mòdul fotovoltaic. Una fallada del mòdul fotovoltaic és rellevant per a la garantia quan es produeix en condicions que experimenta el mòdul [1].

Els errors de productes es divideixen normalment en les tres categories següents:

• Falles infantils

• Falles de la vida mitjana

• Falles de desgast

La figura 1 mostra exemples d'aquests tres tipus de fallades dels mòduls fotovoltaics. A més d'aquestes fallades del mòdul, molts mòduls fotovoltaics mostren una degradació de la potència induïda per la llum (LID) immediatament després de la instal·lació. La tapa és un tipus de fallada que es produeix de totes maneres i la potència nominal impresa a l’etiqueta del mòdul fotovoltaic s’ajusta normalment mitjançant la pèrdua d’energia saturada normalitzada prevista a causa d’aquest error.

Fig. 1: Tres escenaris típics de fallida dels mòduls fotovoltaics cristal·lins basats en oblea [1].

Tapa: Degradació induïda per la llum
PID: Degradació potencial induïda
EVA: acetat de vinil d’etilè
Caixa J: caixa de la unió

Falla i ocurrència de falles

No hi ha estudis detallats sobre la fallida del servei durant tota la vida útil dels panells, ja que la majoria de les instal·lacions són recents i els proveïdors es mostren reticents a publicar aquestes xifres. Els informes d’estudis de mortalitat infantil, és a dir, l’error en la instal·lació, donen xifres entre l’1 i el 2% de tots els panells instal·lats [3]. S'han realitzat diversos estudis de simulació amb vides accelerades, però en un nombre limitat de plafons.

BP Solar ha informat una taxa de fracàs del 0,13% en un període de vuit anys per als panells Solarex c-Si i els Laboratoris Nacionals Sandia ha previst una taxa de fracàs del 0,05% anual basada en dades de camp [4]. Tot i això, es tracta de xifres primerenques a curt termini i no hi ha dades sobre fallades de vida tardana en instal·lacions a gran escala.

Principals defectes i fallades

Els errors es poden dividir en tipus de falla relacionats amb el rendiment i la seguretat. Els errors relacionats amb la seguretat poden causar danys a la propietat o ferits al personal. Els errors relacionats amb el rendiment produeixen una pèrdua o una caiguda de la potència de sortida.

Es produeixen defectes a les zones següents:

• Les hòsties o cèl·lules en productes cristallins fotovoltaics

• L’encapsulament

• La base de vidre

• Cablejat intern

• Muntatge i accessoris

• Les capes amorfes en PV amorfes

Falles de la hòstia o de la cèl·lula

La determinació de l'eficàcia de la cèl·lula és normal durant la vida de la cèl·lula i no es considera com a falla o fallida tret que la taxa de degradació superi els límits normals. La majoria de les falles de l’hòstia o de les cèl·lules es trencaran de l’hòstia i danyen les connexions i els conductors. Les falles més petites es produeixen a causa del dany del recobriment anti-reflectant (ARC) i la corrosió de les cel·les. La degradació induïda per la llum a les plaques solars amorfes és un efecte conegut i no necessàriament es considera un fracàs. La degradació induïda potencial és un fenomen nou que ha aparegut com a resultat de tensions cada cop més altes utilitzades en sistemes fotovoltaics.

Delaminació antireflexiva del recobriment

Un recobriment antireflector (ARC) augmenta la captació de llum i, per tant, augmenta la conversió de potència del mòdul. La desaminació de l'ARC es produeix quan el recobriment antireflexiu surt de la superfície de silici de la cèl·lula. Aquest no és un defecte greu a menys que hi hagi molta delaminació [2]. La investigació ha demostrat que les propietats d'ARC són un factor causant de la PID.

Cracament cel·lular

Les esquerdes dels mòduls fotovoltaics són omnipresents. Es poden desenvolupar en diferents etapes de la vida del mòdul.

En particular, durant la fabricació, la soldadura indueix grans tensions a les cèl·lules. La manipulació i les vibracions en el transport poden induir o ampliar esquerdes [4]. Finalment, un mòdul al camp experimenta càrregues mecàniques degudes al vent (pressió i vibracions) i a la neu (pressió).

Les micro-esquerdes poden ser causades o agreujades per:

• Fabricació

• Transport

• Instal·lació

• Estrès durant el servei (tèrmic i d’una altra manera)

Les hòsties cristal·lines han augmentat de mida i han disminuït el gruix al llarg dels anys, augmentant el potencial de trencament i fissuració. Les esquerdes de les cèl·lules solars són un veritable problema per als mòduls fotovoltaics, ja que són difícils d’evitar i, fins ara, bàsicament impossibles de quantificar en el seu impacte sobre l’eficiència del mòdul durant la seva vida. En particular, la presència de micro esquerdes pot tenir només un efecte marginal sobre la potència d’un nou mòdul, sempre que les diferents parts de les cèl·lules siguin connectades elèctricament.

A mesura que el mòdul envelleix i està sotmès a esforços tèrmics i mecànics, es poden introduir esquerdes. Un moviment relatiu repetit de les parts de la cèl·lula esquerdada pot produir una separació completa, donant lloc a parts cel·lulars inactives. Per a aquest cas especial, es pot fer una valoració clara de la pèrdua d'energia. Per a un mòdul fotovoltaic de 60 W, 230 W, la pèrdua de parts cel·lulars és acceptable sempre que la part perduda sigui inferior al 8% de la superfície cel·lular [3].

Fig. 2: Pistes de caragol a causa de micro-esquerdes a les cèl·lules [1].

Les micro-esquerdes són esquerdes al substrat de silici de les cèl·lules fotovoltaiques que sovint no es veuen a simple vista. Les esquerdes poden formar-se en diferents longituds i orientació en una cèl·lula solar. El tallat de les hòsties, l'encadenament de la producció cel·lular i el procés d'embotit durant el procés de producció provoquen esquerdes cel·lulars a les cèl·lules fotovoltaiques. El procés de cordada de les cèl·lules solars té un risc especialment elevat per introduir esquerdes [1].

Durant la producció hi ha tres fonts diferents de micro-esquerdes; cadascuna té la seva pròpia probabilitat d’ocurrència:

• Les esquerdes que parteixen de la cinta d'interconnexió cel·lular són causades per l'estrès residual induït pel procés de soldadura. Aquestes esquerdes se situen amb freqüència a l'extrem o al punt de partida del connector, perquè hi ha la major tensió residual. Aquest tipus de fissures és el més freqüent.

• L’anomenada fissura creuada, que es produeix per la premsa de la maquinària durant la producció.

• Les esquerdes que comencen des de la vora de la cèl·lula són causades per la cèl·lula impactant contra un objecte dur.

Una vegada que hi ha fissures cel·lulars en un mòdul solar, hi ha un risc augment que durant el funcionament del mòdul solar les esquerdes de cèl·lules curtes es puguin convertir en fissures més llargues i amples. Això es deu a la tensió mecànica causada per la càrrega del vent o a la neu i la tensió mecànica termoelèctrica dels mòduls solars a causa de les variacions de temperatura provocades pels núvols que passen i les variacions del temps.

Les micro-esquerdes poden tenir diversos orígens i donar lloc a resultats força "suaus" com ara la reducció del rendiment de les parts de la cèl·lula afectada fins a impactes més greus que comporten disminució del corrent de curtcircuit i eficiència cel·lular. Visualment, les micro-esquerdes poden aparèixer en forma dels anomenats “rastres de caragol” a l’estructura cel·lular. No obstant això, els rastres de caragol (com a signe d’impacte a llarg termini) també poden ser el resultat d’un procés químic que fa que la superfície de la cèl·lula canviï i / o els punts calents.

Depenent del patró de fissures de les esquerdes més grans, la tensió tèrmica, mecànica i la humitat poden conduir a parts de cèl·lules "mortes" o "inactives" que causen una pèrdua de potència de la cèl·lula fotovoltaica afectada. Una part de cèl·lula morta o inactiva significa que aquesta part particular de la cèl·lula fotovoltaica ja no contribueix a la producció total de potència del mòdul solar. Quan aquesta part morta o inactiva de la cèl·lula fotovoltaica sigui superior al 8% de la superfície cel·lular total, donarà lloc a una pèrdua d’energia aproximadament linealment amb l’àrea de la cèl·lula inactiva [1].

Les esquerdes potencialment creixen durant un temps operatiu més llarg i, per tant, amplien el seu impacte maliciós sobre la funcionalitat i el rendiment d’un mòdul fotovoltaic, provocant també punts calents. Les micro-esquerdes no detectades poden produir una vida útil de camp menys de la prevista. Difereixen en la mida, la ubicació a la cel·la i la qualitat de l'impacte.

Es poden detectar micro-esquerdes al camp abans de la instal·lació i durant la vida del projecte. Hi ha diferents mètodes d’assaig de qualitat per identificar micro-fissures de les quals la prova d’electroluminescència (EL) o la prova de detecció de fissures d’electroluminescència (ELCD) és un dels mètodes més aplicats. Les proves EL poden detectar defectes ocults que abans no es podien realitzar per altres mètodes de prova, com ara la imatge infraroja (IR) amb càmeres tèrmiques, la característica de VA i les proves de flaix [1]. Alguns fabricants recomanen la inspecció regular dels panells instal·lats durant tota la vida [3].

Falles d’encapsulació

Un panell solar és un “sandwich”, format per diferents capes de materials (Fig. 3).

Fig. 3: Components d'un mòdul fotovoltaic [2].

Els materials encapsulants s'utilitzen per:

• Resisteix la calor, la humitat, les radiacions ultraviolades i el ciclisme tèrmic

• Proporciona una bona adhesió

• Còpia òpticament de vidre a cèl·lules

• Aïllar components elèctrics

• Controlar, reduir o eliminar l’entrada d’humitat

El material més co mmó emprat per a l'encapsulat és acetat de vinil etilina (EVA). Una fallada de l'encapsulant pot provocar una fallada o deteriorament del mòdul fotovoltaic.

Fallada d’adhesió

L’adhesió entre les capes de vidre, encapsulant, actives i posteriors es pot veure compromesa per moltes raons. La pel·lícula prima i altres tipus de tecnologia fotovoltaica també poden contenir un òxid conductor transparent (TCO) o una capa similar que es pot delaminar d’una capa de vidre contigua.

Típicament, si l’adhesió es veu compromesa a causa de la contaminació (per exemple, una neteja inadequada del vidre) o per factors ambientals, es produeix una desaminació, seguida d’entrada i humitat de la humitat. La desamortització en interfícies dins de la ruta òptica donarà lloc a una reflexió òptica (per exemple, fins a un 4%, pèrdua de potència en una sola interfície aire / polímer) i posterior pèrdua de corrent (potència) dels mòduls [1].

Producció d’àcid acètic

Les làmines EVA reaccionen amb la humitat formant àcid acètic que accelera el procés de corrosió del component interior dels components del mòdul fotovoltaic. Això també pot resultar d’un procés d’envelliment d’EVA, i pot atacar contactes de plata i afectar la producció cel·lular. No és un problema per a les làmines posteriors permeables, perquè l’àcid acètic pot escapar. No obstant això, per a fulls impermeables, aquest defecte pot causar pèrdues de potència importants amb el pas del temps.

Decoloració encapsulant

Això resultarà en alguna pèrdua de transmissió i, per tant, una potència reduïda. La decoloració es deu al blanqueig d’oxigen, de manera que amb un full de respiració transpirable el centre de les cèl·lules es decolora mentre els anells externs romanen clars. Es pot produir per una mala reticulació i / o additius en la formulació d'EVA.

Fig. 4: EVA descolorida [5].

Sense concentració es triguen cinc a deu anys a veure la decoloració i més temps a començar a reduir considerablement la potència de sortida. No és el propi EVA el que decolora, sinó additius en la formulació. Aquest defecte pot evitar que una mica de llum arribi al plafó [5].

Delaminació

La delaminació és la separació de l'encapsulant del vidre o de la cèl·lula. La delaminació pot ser entre superestrat (vidre), substrat (full de full) i encapsulant o entre encapsulant i cèl·lules. La delaminació del vidre frontal es pot produir per una mala adhesió a EVA o per un mal procés de neteja de vidre durant el procés de fabricació. Aquest defecte pot evitar que una mica de llum arribi al panell. El problema pot esdevenir més greu si la humitat s’acumula al buit i crea curtcircuits a prop dels cables de soldadura.

És molt probable que la delaminació de la cèl·lula sigui causada per una mala reticulació o contaminació de la superfície cel·lular. Aquest defecte pot ser greu perquè, quan es crea una bombolla d’aire al laminat, hi ha possibilitat d’acumulació d’humitat i de curts circuits. La delaminació de la placa es produeix si l'EVA no s'adhereix bé a la placa durant la fabricació.

Les noves vies i la posterior corrosió després de la desamortització redueixen el rendiment del mòdul, però no suposen cap problema de seguretat automàticament. No obstant això, la delaminació del full posterior pot permetre la possibilitat d’exposar-se a components elèctrics actius. Quan un mòdul està construït amb làmines frontals i posteriors de vidre, hi pot haver esforços addicionals que milloren la desamortització i / o el trencament del vidre.

Defectes del full posterior

La part posterior d'un mòdul serveix per protegir els components electrònics de l'exposició directa al medi i per proporcionar un funcionament segur en presència de voltatges d'alta tensió. Les làmines posteriors poden estar compostes de vidre o polímers i poden incorporar una làmina metàl·lica.

Fig. 5: Delaminació (Rycroft).

El més habitual és que una làmina posterior estigui constituïda per una estructura laminada amb un polímer altament estable i resistent als raigs UV, sovint un fluoropolímer a l'exterior, directament exposat al medi, una capa interior de PET, seguida de la capa encapsulant [1] .

Si s'utilitza un vidre posterior en lloc d'un full de fons, pot trencar-se. Si el mòdul està construït com un dispositiu de pel·lícula fina a la làmina posterior (substrat CIGS), això presenta un perill important per a la seguretat, a més de pèrdues de potència importants o, molt probablement, completes per al mòdul. Hi pot haver una petita bretxa al llarg de les esquerdes i alguna tensió que sigui capaç de produir i mantenir un arc elèctric.

Si això succeeix conjuntament amb la fallada d'un díode bypass, es podria presentar tot el voltatge del sistema a la bretxa creant un arc gran i sostingut que probablement es fongui vidre, possiblement inicia un foc. Tanmateix, si un full de fons de vidre es trenqués en un mòdul Si cristal·lí típic, encara hi hauria una capa d’encapsulant per proporcionar una petita mesura d’aïllament elèctric.

La delaminació de l'EVA es pot produir a causa d'una mala adhesió entre l'EVA i la làmina posterior o si la capa d'adhesió de la làmina posterior està malmesa per l'exposició a la UV o per un augment de la temperatura.

El groc lateral es produeix per una degradació del polímer utilitzat per afavorir l’adhesió de la làmina posterior específica a l’encapsulant. El groc és sovint associat a un deteriorament de les propietats mecàniques. Amb aquest defecte, és probable que el full posterior pugui desaminar i / o esquerdar-se [3].

El groc lateral és un signe de sensibilitat ultraviolada que pot accelerar-se per temperatures elevades. Aquest defecte també es produeix en algunes làmines posteriors com a conseqüència de la degradació tèrmica. El groc és sovint associat a un deteriorament de les propietats mecàniques. Amb aquest defecte, és probable que el full posterior pugui desaminar i / o esquerdar-se [3].

Punts calents

L’escalfament en punts calents es produeix en un mòdul quan el seu corrent de funcionament supera el corrent reduït de curtcircuit (I _sc ) d’una cèl·lula ombrívola o defectuosa o d’un grup de cèl·lules. Quan es produeix aquesta condició, la cèl·lula o grup de cèl·lules afectades es veu obligada a polaritzar inversament i ha de dissipar el poder.

Fig. 6: Cèl·lules solars de silici cristal·lí interconnectades en sèrie amb cinta de lliscament [6].

Si la dissipació de la potència és prou alta o localitzada prou, la cèl·lula esbiaixada inversa pot sobreescalfar-se resultant en la fusió de soldadura i / o silici i deteriorament de l'encapsulant i la làmina posterior [5].

Cinta conductor i fallades de l'articulació

Les cèl·lules solars estan equipades amb dos elements bàsics, els contactes frontal i posterior, que permeten lliurar el corrent al circuit extern. El corrent és portat per tires de bus que es solden als contactes frontals i posteriors. Una fallada de la cinta de corda està associada a la pèrdua de potència de sortida. Les ruptures d’interconnexió es produeixen a conseqüència de l’expansió tèrmica i la contracció o la tensió mecànica repetida. D'altra banda, una cinta més gruixuda o pells en la cinta contribueixen a trencar les interconnexions i es tradueixen en cèl·lules de curtcircuit i cèl·lules de circuit obert.

Una part crítica del mòdul és la interconnexió de juntes de soldadura. Consten de molts materials units entre ells, inclosa la soldadura, la barra de bus, la cinta i l’hòstia de silici. Aquests materials posseeixen diferents propietats tèrmiques i mecàniques. En unió, el conjunt desenvolupa problemes termo-mecànics de fiabilitat causats per diferències en el coeficient d'expansió tèrmica dels materials enllaçats. La soldadura proporciona una connexió entre l'elèctrode i la cinta.

La temperatura del mòdul PV varia segons el clima local, que al seu torn afecta la taxa de degradació de la interconnexió de soldadura. En una anàlisi de modelització de prediccions de tota la vida, es va informar que per al mateix tipus de mòduls fotovoltaics c-Si situats en diverses condicions meteorològiques, la vida útil va ser la més curta en un desert seguida dels del tròpic.

Tot i que l’ús de procés de soldadura en el muntatge de cèl·lules solars en mòduls fotovoltaics té l’avantatge de produir productes que tinguin una alta fiabilitat a un cost de producció mínim, la tecnologia es produeix a altes temperatures amb un potencial inherent per produir estrès de cisalla a l’hòstia de silici. El fracàs i la degradació de les juntes de soldadura provoca un augment de la resistència en sèrie, cosa que comporta una pèrdua d’energia.

Mòdul de vida

Totes les falles anteriors contribueixen a la degradació i al fracàs final dels panells fotovoltaics. Els mòduls fotovoltaics estan dissenyats per tenir una durada de 20 anys o més, i els nous mòduls se sotmeten a programes de prova accelerats que simulen els efectes de la calor, la humitat, la temperatura del ciclisme, la radiació UV i altres factors [5]. A la figura 7 es mostren els resultats dels programes de prova conduïts per Kohl.

Fig. 7: Proves d’envelliment accelerat en mòduls c-Si comercials [7].

Un nivell normalitzat de potència de 0,8 normalment es pren com a final de vida per a un panell fotovoltaic. Es pot veure a les corbes de prova que els panells es deterioren ràpidament després d’aquest punt.

A principis dels anys 90, eren típiques les garanties dels deu anys. Avui en dia, gairebé tots els fabricants ofereixen garanties de 20 a 25 anys. Però una garantia de 25 anys no significa que el projecte estigui protegit. Cal fer les següents preguntes:

• El proveïdor del mòdul serà de 15 anys quan es trobin problemes?

• El proveïdor finança un compte de garantia per assegurar-se que, si el projecte no es troba, es protegeix el projecte?

• El proveïdor simplement es basa en proves de qualificació de l'IEC per presentar reclamacions sobre la durabilitat a llarg termini?

• Si el proveïdor només té cinc anys, com pot reclamar que els mòduls tinguin una durada de 25 anys?

L’augment de la durada de les garanties és prometedor, però un inversor o desenvolupador ha de revisar detingudament l’empresa que l’ofereixi [4].

Referències

[1] AIE: “ Revisió de Falles dels Mòduls Fotovoltaics ”, informe final extern de la tasca 13, IEA-PVPS, març de 2014.
[2] Dupont: " Una guia per comprendre els defectes del panell solar: des de la fabricació fins als mòduls de camp ", www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Estadístiques de crack sobre mòduls fotovoltaics cristal·lins ", 26a Conferència i Exposició Europea de l'Energia Solar Fotovoltaica, 2011.
[4] E Fitz: " L'impacte de la línia de fons de la fiabilitat del mòdul PV ", Renewable Energy World, març de 2011.
[5] J Wolgemuth et al: " Modes de falla dels mòduls Si cristal·lins ", Taller de fiabilitat del mòdul PV 2010.
[6] M Zarmai: " Una revisió de les tecnologies d'interconnexió per al conjunt de mòduls fotovoltaics de cèl·lules solars de silici cristal·lí millorat ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: PV fiabilitat (Clúster II): Resultats d’un projecte conjunt de quatre anys alemany - Part I, resultats de proves d’envelliment accelerat i modelatge de degradació, 25a UE-PVSEC, 2010.