Falhas e falhas do módulo fotovoltaico solar

Fonte: ee.co.za

O moderno equipamento fotovoltaico solar foi projetado para operação confiável durante toda a vida útil do produto. Apesar disso, ainda ocorrem defeitos de fabricação e falhas prematuras que podem afetar o desempenho de um produto.

Confiabilidade e qualidade são projetadas e incorporadas a modernos equipamentos fotovoltaicos solares. Técnicas de produção em massa, embora controladas e com um controle de baixa qualidade, ainda podem introduzir defeitos de fabricação no produto, e a instalação em campo e o transporte podem resultar em danos, os quais podem reduzir a vida útil dos produtos.

Um fator chave para reduzir os custos dos sistemas fotovoltaicos é aumentar a confiabilidade e o tempo de vida útil dos módulos fotovoltaicos. As estatísticas de hoje mostram taxas de degradação da potência nominal para módulos fotovoltaicos de silício cristalino de 0,8% / ano [1]. Embora os produtos modernos sejam projetados para fazer uso de materiais de alta qualidade e fabricação mecanizada, a concorrência de preços resultou em menos material e menor uso na fabricação de painéis. Além disso, há evidências de que alguns fabricantes voltaram a usar materiais de menor qualidade a preços mais baixos.

A falha prematura dos painéis pode ter uma grande implicação financeira para instalações fotovoltaicas, pois o principal custo do ciclo de vida é o capital. Uma falha no módulo fotovoltaico é um efeito que degrada a energia do módulo que não é revertida pela operação normal ou cria um problema de segurança.

Uma questão puramente cosmética que não tem nenhuma dessas consequências não é considerada uma falha do módulo fotovoltaico. Uma falha no módulo fotovoltaico é relevante para a garantia quando ocorre em condições que o módulo normalmente sofre [1].

Normalmente, as falhas dos produtos são divididas nas três categorias a seguir:

• Falhas infantis

• Falhas na meia idade

• Falhas de desgaste

A Fig. 1 mostra exemplos para esses três tipos de falhas para módulos fotovoltaicos. Além dessas falhas do módulo, muitos módulos fotovoltaicos mostram degradação de energia induzida pela luz (LID) imediatamente após a instalação. O LID é um tipo de falha que ocorre de qualquer maneira e a potência nominal impressa na etiqueta do módulo fotovoltaico é geralmente ajustada pela perda de energia saturada padronizada esperada devido a essa falha.

Fig. 1: Três cenários típicos de falha para módulos fotovoltaicos cristalinos baseados em wafer [1].

DILA: Degradação induzida pela luz
PID: Degradação potencial induzida
EVA: acetato de etileno e vinil
J-box: caixa de junção

Falha e ocorrência de falha

Estudos detalhados de falhas em serviço durante toda a vida útil dos painéis não estão disponíveis, pois a maioria das instalações é recente e os fornecedores relutam em divulgar esses números. Relatos de estudos de mortalidade infantil, ou seja, falha na instalação, fornecem valores entre 1 e 2% de todos os painéis instalados [3]. Vários estudos de simulação com vida útil acelerada foram realizados, mas em um número limitado de painéis.

A BP Solar registrou uma taxa de falha de 0,13% em um período de oito anos para os painéis Solarex c-Si e a Sandia National Laboratories previu uma taxa de falha de 0,05% ao ano com base em dados de campo [4]. No entanto, esses são valores de curto prazo para o início da vida útil e não há dados sobre falhas no final da vida útil para instalações em grande escala.

Principais defeitos e falhas

As falhas podem ser divididas em tipos de falha relacionados a desempenho e segurança. Falhas relacionadas à segurança podem resultar em danos à propriedade ou ferimentos ao pessoal. Falhas relacionadas ao desempenho resultam em perda ou queda na potência de saída.

Defeitos ocorrem nas seguintes áreas:

• As bolachas ou células em produtos fotovoltaicos cristalinos

• O encapsulamento

• A base de vidro

• Fiação interna

• Armação e acessórios

• As camadas amorfas no PV amorfo

Bolacha ou falhas de célula

A deterioração da eficiência da célula é normal durante a vida útil da célula e não é considerada uma falha ou falha, a menos que a taxa de degradação exceda os limites normais. A maioria das falhas da bolacha ou das células estará rachando a bolacha e danificando as conexões e os condutores. Falhas menores surgem de danos ao revestimento anti-reflexo (ARC) e corrosão da célula. A degradação induzida pela luz em painéis solares amorfos é um efeito conhecido e não é necessariamente considerado uma falha. A degradação potencial induzida é um fenômeno novo que surgiu como resultado de tensões cada vez mais altas usadas em sistemas fotovoltaicos.

Delaminação de revestimento anti-reflexo

Um revestimento anti-reflexo (ARC) aumenta a captura de luz e, portanto, aumenta a conversão de energia do módulo. A delaminação do ARC ocorre quando o revestimento anti-reflexo sai da superfície de silício da célula. Este não é um defeito sério, a menos que haja muita delaminação [2]. A pesquisa mostrou que as propriedades do ARC são um fator causal no PID.

Quebra de células

Rachaduras nos módulos fotovoltaicos são onipresentes. Eles podem se desenvolver em diferentes estágios da vida útil do módulo.

Durante a fabricação, em particular, a soldagem induz altas tensões nas células. O manuseio e as vibrações no transporte podem induzir ou expandir rachaduras [4]. Finalmente, um módulo no campo sofre cargas mecânicas devido ao vento (pressão e vibrações) e neve (pressão).

As microfissuras podem ser causadas ou agravadas por:

• Fabricação

• Transporte

• Instalação

• Estresse em serviço (térmico ou não)

As bolachas cristalinas aumentaram de tamanho e diminuíram de espessura ao longo dos anos, aumentando o potencial de quebra e rachaduras. As rachaduras nas células solares são um problema genuíno para os módulos fotovoltaicos, pois são difíceis de evitar e, até agora, basicamente impossíveis de quantificar seu impacto na eficiência do módulo durante sua vida útil. Em particular, a presença de microfissuras pode ter apenas um efeito marginal na potência de um novo módulo, desde que as diferentes partes das células ainda estejam eletricamente conectadas.

À medida que o módulo envelhece e é submetido a tensões térmicas e mecânicas, rachaduras podem ser introduzidas. Um movimento relativo repetido das partes celulares rachadas pode resultar em uma separação completa, resultando em partes celulares inativas. Para este caso especial, é possível uma avaliação clara da perda de energia. Para um módulo fotovoltaico de 60 células e 230 W, a perda de partes da célula é aceitável desde que a parte perdida seja menor que 8% da área da célula [3].

Fig. 2: Rastros de lesmas devido a microfissuras nas células [1].

Micro-rachaduras são rachaduras no substrato de silício das células fotovoltaicas que muitas vezes não podem ser vistas a olho nu. Rachaduras podem se formar em diferentes comprimentos e orientações em uma célula solar. O corte da bolacha, a produção de células e o processo de incorporação durante o processo de produção causam rachaduras nas células fotovoltaicas. O processo de amarração das células solares apresenta um risco especialmente alto para a introdução de trincas [1].

Existem três fontes diferentes de microfissuras durante a produção; cada um tem sua própria probabilidade de ocorrência:

• As rachaduras iniciadas na fita de interconexão da célula são causadas pelo estresse residual induzido pelo processo de solda. Essas rachaduras costumam estar localizadas no final ou no ponto inicial do conector, porque há a maior tensão residual. Esse tipo de crack é o mais frequente.

• A chamada fissura cruzada, causada pelas máquinas pressionando a bolacha durante a produção.

• As rachaduras iniciadas na borda da célula são causadas pelo impacto da célula contra um objeto rígido.

Uma vez que as trincas de células estão presentes em um módulo solar, há um risco aumentado de que, durante a operação do módulo solar, trincas de células curtas possam se transformar em trincas mais longas e mais largas. Isso ocorre devido ao estresse mecânico causado pela carga do vento ou da neve e ao estresse termomecânico nos módulos solares devido a variações de temperatura causadas pela passagem de nuvens e variações no clima.

As microfissuras podem ter várias origens e resultar em resultados "suaves", como quebra de partes da célula afetada, com redução de rendimento, até impactos mais graves, envolvendo a diminuição da corrente de curto-circuito e a eficiência da célula. Visualmente, as microfissuras podem aparecer na forma das chamadas “trilhas de caracóis” na estrutura celular. No entanto, trilhas de caracóis - como um sinal de impacto a longo prazo - também podem ser o resultado de um processo químico que causa alterações na superfície da célula e / ou pontos quentes.

Dependendo do padrão de trincas das trincas maiores, o estresse térmico, mecânico e a umidade podem levar a partes "mortas" ou "inativas" da célula que causam perda de potência da célula fotovoltaica afetada. Uma parte da célula morta ou inativa significa que essa parte específica da célula fotovoltaica não contribui mais para a potência total do módulo solar. Quando essa parte morta ou inativa da célula fotovoltaica for superior a 8% da área total da célula, isso levará a uma perda de energia que aumenta aproximadamente linearmente com a área da célula inativa [1].

As rachaduras potencialmente crescem ao longo de um tempo operacional mais longo e, portanto, estendem seu impacto malicioso sobre a funcionalidade e o desempenho de um módulo fotovoltaico, potencialmente também acionando pontos de acesso. Micro-rachaduras não detectadas podem resultar em uma vida útil do campo menor que o esperado. Eles diferem em tamanho, localização na célula e qualidade de impacto.

As microfissuras podem ser detectadas no campo antes da instalação e durante a vida útil de um projeto. Existem diferentes métodos de teste de qualidade para identificar micro fissuras, das quais os testes de eletroluminescência (EL) ou eletroluminescência de fissuras (ELCD) são um dos métodos mais aplicados. O teste EL pode detectar defeitos ocultos que antes eram rastreáveis por outros métodos de teste, como imagens por infravermelho (IR) com câmeras térmicas, característica VA e teste de flash [1]. Alguns fabricantes recomendam a inspeção regular dos painéis instalados ao longo da vida útil [3].

Falhas de encapsulamento

Um painel solar é um “sanduíche”, composto de diferentes camadas de materiais (Fig. 3).

Fig. 3: Componentes de um módulo fotovoltaico [2].

Os materiais encapsulados são usados para:

• Resista ao calor, umidade, radiação UV e ciclagem térmica

• Fornecer boa adesão

• Acoplar vidro opticamente às células

• Isolar eletricamente os componentes

• Controlar, reduzir ou eliminar a entrada de umidade

O material mais comum usado no encapsulamento é o acetato de etila e vinila (EVA). A falha do encapsulante pode resultar em falha ou deterioração do módulo fotovoltaico.

Falha na adesão

A adesão entre as camadas de vidro, encapsulante, ativa e traseira pode ser comprometida por vários motivos. O filme fino e outros tipos de tecnologia fotovoltaica também podem conter um óxido condutor transparente (TCO) ou uma camada semelhante que pode ser delaminada de uma camada de vidro adjacente.

Normalmente, se a adesão for comprometida devido a contaminação (por exemplo, limpeza inadequada do vidro) ou fatores ambientais, ocorrerá a delaminação, seguida pela entrada de umidade e corrosão. A delaminação nas interfaces no caminho óptico resultará em reflexão óptica (por exemplo, até 4%, perda de energia em uma única interface ar / polímero) e subsequente perda de corrente (energia) dos módulos [1].

Produção de ácido acético

As folhas de EVA reagem com a umidade para formar ácido acético que acelera o processo de corrosão do componente interno dos componentes do módulo fotovoltaico. Isso também pode resultar do processo de envelhecimento do EVA e pode atacar contatos de prata e afetar a produção de células. Para folhas traseiras permeáveis, isso não é um problema, porque o ácido acético pode escapar. No entanto, para folhas traseiras impermeáveis, esse defeito pode causar perdas substanciais de energia ao longo do tempo.

Descoloração encapsulante

Isso resultará em alguma perda de transmissão e, portanto, redução de energia. A descoloração ocorre devido ao branqueamento de oxigênio; portanto, com uma folha traseira respirável, o centro das células fica descolorido enquanto os anéis externos permanecem limpos. Isso pode ocorrer devido à fraca reticulação e / ou aditivos na formulação de EVA.

Fig. 4: EVA descolorido [5].

Sem concentração, leva de cinco a dez anos para ver a descoloração e mais tempo para começar a reduzir consideravelmente a potência de saída. Não é o próprio EVA que descolora, mas aditivos na formulação. Esse defeito pode impedir que alguma luz chegue ao painel [5].

Delaminação

Delaminação é a separação do encapsulante do vidro ou célula. A delaminação pode ser entre superstrato (vidro), substrato (folha posterior) e encapsulante ou entre encapsulante e células. A delaminação do vidro frontal pode ocorrer devido à má adesão do EVA ou aos maus procedimentos de limpeza do vidro durante o processo de fabricação. Esse defeito pode impedir que alguma luz chegue ao painel. O problema pode se tornar mais sério se a umidade se acumular no vazio e criar curto-circuitos perto dos fios de solda.

A delaminação da célula é provavelmente causada por reticulação ou contaminação inadequada da superfície da célula. Esse defeito pode ser grave porque, quando uma bolha de ar é criada no laminado, existe a possibilidade de acúmulo de umidade e curto-circuito. A delaminação da pastilha ocorre se o EVA não aderiu bem à pastilha durante a fabricação.

Os novos caminhos e a subsequente corrosão após a delaminação reduzem o desempenho do módulo, mas não representam automaticamente um problema de segurança. A delaminação da folha traseira, no entanto, pode permitir a possibilidade de exposição a componentes elétricos ativos. Quando um módulo é construído com folhas frontal e traseira de vidro, pode haver tensões adicionais que melhoram a delaminação e / ou a quebra do vidro.

Defeitos na folha de trás

A folha de trás de um módulo serve para proteger os componentes eletrônicos da exposição direta ao meio ambiente e proporcionar operação segura na presença de altas tensões CC. As folhas traseiras podem ser compostas de vidro ou polímeros e podem incorporar uma folha de metal.

Fig. 5: Delaminação (Rycroft).

Mais comumente, uma folha posterior é composta de uma estrutura laminada com um polímero altamente estável e resistente a UV, geralmente um fluoropolímero no exterior, exposto diretamente ao ambiente, uma camada interna de PET, seguida pela camada encapsulante [1] .

Quando um vidro traseiro é usado em vez de uma folha traseira, ele pode falhar ao quebrar. Se o módulo for construído como um dispositivo de filme fino na folha posterior (substrato CIGS), isso representa um risco de segurança significativo, além de uma perda de energia significativa ou, mais provavelmente, completa para esse módulo. Pode haver um pequeno espaço ao longo das rachaduras e alguma voltagem capaz de produzir e sustentar um arco elétrico.

Se isso acontecer em conjunto com a falha de um diodo de derivação, toda a tensão do sistema poderá estar presente através do espaço, criando um arco grande e sustentado que provavelmente derreterá o vidro, possivelmente causando um incêndio. No entanto, se uma folha posterior de vidro quebrar em um módulo típico de Si cristalino, ainda haveria uma camada de encapsulante para fornecer uma pequena medida de isolamento elétrico.

A delaminação do EVA pode ocorrer devido à baixa adesão entre o EVA e a folha posterior ou se a camada de adesão da folha posterior for danificada pela exposição aos raios UV ou por um aumento de temperatura.

O amarelamento do lado frontal é causado por uma degradação do polímero usado para promover a adesão da folha posterior específica ao encapsulante. O amarelamento é frequentemente associado ao agravamento das propriedades mecânicas. Com esse defeito, é provável que a folha traseira possa eventualmente delaminar e / ou rachar [3].

O amarelecimento do lado do ar é um sinal de sensibilidade aos raios UV que pode ser acelerado por altas temperaturas. Esse defeito também ocorre em algumas folhas posteriores como resultado da degradação térmica. O amarelamento é frequentemente associado ao agravamento das propriedades mecânicas. Com esse defeito, é provável que a folha traseira possa eventualmente delaminar e / ou rachar [3].

Pontos quentes

O aquecimento por pontos quentes ocorre em um módulo quando sua corrente de operação excede a corrente de curto-circuito reduzida (I _sc ) de uma célula ou grupo de células sombreado ou com defeito. Quando essa condição ocorre, a célula ou grupo de células afetado é forçado a polarizar inversamente e deve dissipar a energia.

Fig. 6: Células solares de silício cristalino interconectadas em série com fita com abas [6].

Se a dissipação de energia for alta o suficiente ou localizada o suficiente, a célula polarizada reversa poderá superaquecer, resultando na fusão da solda e / ou silício e deterioração do encapsulante e da folha posterior [5].

Fita do condutor e falhas nas juntas

As células solares são equipadas com dois elementos básicos, os contatos frontal e traseiro, permitindo a entrega de corrente ao circuito externo. A corrente é transportada por tiras de ônibus soldadas aos contatos dianteiro e traseiro. Uma falha na faixa de opções está associada à perda de potência de saída. As quebras de interconexão ocorrem como resultado de expansão e contração térmica ou esforço mecânico repetido. Além disso, fitas mais grossas ou dobras na fita contribuem para a quebra de interconexões e resultam em células em curto-circuito e células em circuito aberto.

Uma parte crítica do módulo são as interconexões da junta de solda. Eles consistem em muitos materiais ligados entre si, incluindo solda, barramento, fita e pastilha de silicone. Estes materiais possuem diferentes propriedades térmicas e mecânicas. Na colagem, a montagem desenvolve problemas de confiabilidade termomecânica causados por diferenças no coeficiente de expansão térmica dos materiais colados. A solda fornece uma conexão entre o eletrodo e a fita.

A temperatura do módulo fotovoltaico varia de acordo com o clima local, o que, por sua vez, afeta a taxa de degradação da interconexão da solda. Em uma análise de modelagem de predição ao longo da vida, foi relatado que, para o mesmo tipo de módulos fotovoltaicos c-Si localizados em várias condições climáticas, a vida útil era mais curta em um deserto, seguido por aqueles nos trópicos.

Embora o uso do processo de solda na montagem de células solares em módulos fotovoltaicos tenha a vantagem de produzir produtos que possuam alta confiabilidade a um custo mínimo de produção, a tecnologia ocorre em alta temperatura com potencial inerente para produzir tensão de cisalhamento na pastilha de silício. A falha e a degradação das juntas de solda causam um aumento na resistência em série, o que leva à perda de energia.

Vida útil do módulo

Todas as falhas acima contribuem para a degradação e falha final dos painéis fotovoltaicos. Os módulos fotovoltaicos são projetados para durar 20 anos ou mais, e novos módulos passam por programas de testes acelerados que simulam os efeitos do calor, umidade, temperatura de ciclo, radiação UV e outros fatores [5]. Os resultados dos programas de teste conduzidos por Kohl são mostrados na Fig. 7 [7].

Fig. 7: Testes de envelhecimento acelerado em módulos comerciais de c-Si [7].

Um nível de potência normalizado de 0,8 é normalmente considerado o fim da vida útil de um painel fotovoltaico. Pode ser visto pelas curvas de teste que os painéis se deterioram rapidamente após esse ponto.

No início dos anos 90, as garantias de dez anos eram típicas. Hoje, quase todos os fabricantes oferecem garantias de 20 a 25 anos. Mas uma garantia de 25 anos não significa que o projeto está protegido. É preciso fazer as seguintes perguntas:

• O fornecedor do módulo estará presente em 15 anos quando forem encontrados problemas?

• O fornecedor financia uma conta de garantia para garantir que, se ele se for, o projeto será protegido?

• O fornecedor simplesmente depende dos testes de qualificação IEC para fazer reivindicações sobre durabilidade a longo prazo?

• Se o fornecedor existe há apenas cinco anos, como pode afirmar que os módulos duram 25 anos?

O aumento no comprimento das garantias é promissor, mas um investidor ou desenvolvedor deve revisar cuidadosamente a empresa que a fornece [4].

Referências

[1] AIE: “ Revisão de falhas de módulos fotovoltaicos ”, relatório final externo da Tarefa 13, IEA-PVPS, março de 2014.
[2] Dupont: “ Um guia para entender os defeitos do painel solar: da fabricação aos módulos em campo ”, www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: “ Estatísticas de rachaduras de módulos fotovoltaicos cristalinos ”, 26ª Conferência e Exposição Européia de Energia Solar Fotovoltaica, 2011.
[4] E Fitz: “ O impacto da confiabilidade do módulo fotovoltaico ”, Renewable Energy World, março de 2011.
[5] J Wolgemuth et al: “ Modos de falha de módulos de cristalino Si ”, Workshop sobre confiabilidade do módulo fotovoltaico 2010.
[6] M Zarmai: “ Uma revisão das tecnologias de interconexão para a montagem melhorada do módulo fotovoltaico de células solares de silício cristalino ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: Confiabilidade PV (Cluster II): Resultados de um projeto conjunto alemão de quatro anos - Parte I, resultados de testes de envelhecimento acelerados e modelagem de degradação, 25ª UE-PVSEC, 2010.