Czy nowe technologie ogniw i modułów fotowoltaicznych, które zwiększają moc wyjściową, mają wpływ na jakość? Czy projektowane obecnie moduły są podatne na uszkodzenia i mikropęknięcia?

Obecnie coraz więcej uwagi przykłada się do projektowania modułów fotowoltaicznych w taki sposób, by były odporne na tworzenie się oraz rozprzestrzenianie mikropęknięć. „PV Magazine” na podstawie PV Module Product Qualification Program (PQP) PV Evolution Labs (PVEL) opracował wykaz zalet i wad poszczególnych rozwiązań i konstrukcji.

Mikropęknięcia modułów fotowoltaicznych

Na początek warto przyjrzeć się bliżej temu, jak zbudowane są ogniwa fotowoltaiczne. Pozwoli to odpowiedzieć na pytania, skąd biorą się mikropęknięcia i jak im zapobiegać.

Ogniwa słoneczne z krzemu krystalicznego to cienkie niczym papier kawałki szkła. Mogą one pęknąć pod wpływem naprężeń termicznych lub mechanicznych. Często mikropęknięcia pojawiają się już podczas procesu produkcyjnego, przy cięciu wafla, cięciu i lutowaniu komórek oraz laminowaniu. Dodatkowo niewłaściwe użytkowanie modułów fotowoltaicznych podczas transportu, instalacji, konserwacji, a nawet czyszczenia może je narażać na nadmierne naprężenia i w konsekwencji – powstawanie mikropęknięć.

Nie bez znaczenia są również czynniki środowiskowe. Silne wiatry, gradobicia, gromadzenie się śniegu – to wszystko może narażać moduły fotowoltaiczne obciążenia mechaniczne i uszkodzenia. Nawet codziennie wahania temperatury mogą powodować mikropęknięcia, w mniejszym stopniu niż ekstremalne zjawiska, ale jednak – problem pozostaje. Z biegiem czasu naprężenia termiczne, które towarzyszą normalnym wahaniom temperatury otoczenia, zwiększają uszkodzenia na poziomie komórek poprzez poszerzanie, rozszerzanie i przegubywanie istniejących mikropęknięć. Długoterminowy proces artykulacji mikropęknięć ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia stanu modułu PV.

Trzeba zaznaczyć, że mikropęknięcia zazwyczaj nie stanowią problemu. Nie stanowią problemu, dopóki uszkodzenie nie ograniczy przepływu prądu przez ogniwo i nie utworzy nieaktywnego obszaru. Gdy przepływ prądu zostanie ograniczony, moduł będzie wytwarzał mniej energii. W uszkodzonym ogniwie może powstać lokalny hotspot, który może spowodować przyspieszenie degradację i rozwarstwienie warstwy spodniej, a ostatecznie – zwiększyć ryzyko wystąpienia zwarć doziemnych i łukowych.

Wykrywanie pęknięć paneli słonecznych

Pęknięcia i uszkodzenia ogniw słonecznych zwykle nie są widoczne gołym okiem na powierzchni modułu. Dopiero zaawansowane techniki obrazowania, takie jak obrazowanie elektroluminescencyjne, są w stanie ujawnić stan modułu i obecność mikropęknieć. Nieaktywne elektrycznie pęknięcia pojawiają się jako ciemne, odbarwione, przerywane linie lub obszary. Różne kształty, rozmiary i typy pęknięć wpływają na moduły PV na różne sposoby, chociaż w laboratorium PVEL i doświadczeniach w terenie, pęknięcia rozgałęziające (znane również jako pęknięcia dendrytyczne), które rozprzestrzeniają się przez komórki w miarę starzenia się modułów w terenie, są zwykle najbardziej destrukcyjne.

Zróżnicowanie podatności na pęknięcia

Jednym z testów niezawodności PQP modułu jest tzw. sekwencja naprężeń mechanicznych (MSS). Symuluje ona warunki terenowe w kontrolowanym środowisku laboratoryjnym poprzez połączenie obciążenia statycznego i dynamicznego z cyklami termicznymi i zamarzaniem wilgoci w komorach środowiskowych. Proces jest zaprojektowany tak, aby tworzyć, artykułować i propagować typowe pęknięcia w podatnych modułach. Test jest zgodny ze specyfikacją techniczną IEC 63209, która dotyczy rozszerzonego testowania niezawodności modułów fotowoltaicznych.

Wspomniany test pokazuje, że podatność na pęknięcia jest zróżnicowana. Niektóre nowe technologie są z natury mniej podatnych na pękanie, inne pod tym względem ustępują starszym odpowiednikom. Ostatecznie podatność na pęknięcia zależy od konkretnych komponentów i technik produkcyjnych stosowanych w produkcji modułów PV. Innymi słowy, moduł fotowoltaiczny o innowacyjnej i solidnej konstrukcji, może nadal być podatny na pęknięcia i mikropęknięcia, zwłaszcza jeśli jest źle zbudowany lub wykorzystuje komponenty materiałowe niskiej jakości.

Folia odbijająca światło

Jednym z przykładów nowych technologii, które bez dodatkowych modyfikacji niosą negatywne konsekwencje w kwestii powstawania pęknięć, jest zastosowanie folii odbijającej światło (LRF). Z tekstów wynikło, że moduł bez LRF (po lewej) wykazywał minimalne uszkodzenia po MSS, natomiast ten z LRF (po prawej) miał znaczące pęknięcia komórek i nieaktywne obszary.

Pęknięcia modułów fotowoltaicznych. Źródło: https://www.pv-magazine-australia.com/2021/05/01/saturday-read-microcracks-and-module-design

Odkrycie dotyczące potencjalnego wpływu LRF na pękanie ogniw fotowoltaicznych może zaskakiwać nawet weteranów branży. To jedno z najnowszych spostrzeżeń, do jakich PVEL doszło na podstawie wspomnianych badań. LRF zwiększa ilość światła odbijanego do modułu PV, aby poprawić moc wyjściową. Może jednak zwiększać również podatność na mikropęknięcia z powodu rozszerzalności cieplnej. Kiedy LRF i elementy szklane rozszerzają się i kurczą z różną szybkością wraz ze zmianami temperatury, ogniwa mogą być poddawane naprężeniom, co z kolei powoduje mikropęknięcia.

Moduły monokrystaliczne vs. polikrystaliczne

W ostatnich latach przemysł solarny szybko przeszedł z polikrystalicznych krzemowych ogniw słonecznych do ogniw monokrystalicznych. Najbardziej oczywistą korzyścią płynącą z tego przejścia jest wyższa wydajność modułów. Wyniki testów MSS PVEL wskazują również na inną korzyść: moduły monokrystaliczne są z natury mniej podatne na pękanie niż ich polikrystaliczne odpowiedniki. Bardzo ważne jest jednak, aby moduły monokrystaliczne. były produkowane przy użyciu wysokojakościowych komponentów, spełniających normy. W przypadku nieprawidłowego procesu produkcyjnego mogą być bardziej podatne na pękanie –dlatego tak ważna jest dbałość o najwyższą jakość produkcji.

Pęknięcia modułów fotowoltaicznych – porównanie ogniw mono- i polikrystalicznych. Źródło: https://www.pv-magazine-australia.com/2021/05/01/saturday-read-microcracks-and-module-design

Polikrystaliczny moduł fotowoltaiczny (po prawej) wykazał znaczące pęknięcia i obszary nieaktywne po teście MSS, podczas gdy moduł monokrystaliczny (po lewej) nie został dotknięty (źródło:.

Wielkość modułu

Kolejną konieczną do rozważenia kwestią jest wpływ wielkości modułu na jego podatność na pęknięcia. Większe rozmiarowo moduły wiążą się z wyższymi mocami – jednak może się to wiązać również ze zwiększonym ryzykiem powstawania mikropęknięć.

Przyczyną takiego stanu rzeczy jest większa powietrznia płytek krzemowych stosowanych w tych modułach. Większa powierzchnia płytek oznacza naciski na większej powierzchni oraz większe obciążenia pod wpływem silnego wiatru czy śniegu. Dodatkową przyczyną podatności dużych modułów na pękanie są próby zmniejszenia wagi modułów przez niektórych producentów. Stosują oni cieńsze szkło lub ramy, co wpływa negatywnie na trwałość i sztywność modułu.

Wyzwania związane ze zwiększeniem rozmiaru można zaobserwować porównując wyniki MSS z modułów PV o standardowych rozmiarach. Zestawienie materiałów modułów fotowoltaicznych na ilustracjach (poniżej) jest prawie identyczne – jeden to konstrukcja 144-ogniwowa, a druga to konstrukcja 120-ogniwowa tego samego producenta. Chociaż obie radziły sobie stosunkowo dobrze w MSS, wersja 144-ogniwowa miała więcej pęknięć komórek niż wersja 120-ogniwowa. Większa powierzchnia może skutkować większym ugięciem podczas obciążenia mechanicznego, co z kolei może powodować pęknięcia.

Pęknięcia modułów fotowoltaicznych. Źródło: https://www.pv-magazine-australia.com/2021/05/01/saturday-read-microcracks-and-module-design

Przedstawione powyżej moduły fotowoltaiczne mają prawie identyczne zestawienia komponentów. Jednak 144-ogniwowa wersja modułu (po prawej) okazała się bardziej podatna na mikropęknięcia niż wersja 120-ogniwowa (po lewej).

Technologia half-cut

W niektórych przypadkach moduły z pełnymi ogniwami są bardziej podatne na pękanie ogniw niż moduły wykonane z półciętymi ogniwami. Podobnie jak w przypadku większych modułów, większe pełne ogniwa mają większą powierzchnię, która musi wytrzymać ciśnienie mechaniczne podczas statycznego obciążenia mechanicznego. Musimy podkreślić, że niewłaściwe cięcie ogniw może powodować mikropęknięcia, więc konieczne jest dbałość producenta o właściwy proces produkcyjny.

Bezpieczeństwo i dbałość o najwyższą jakość produkcji

Podsumowując, nowe technologie w produkcji modułów fotowoltaicznych mogą przyczyniać się do zwiększania odporności na mikropęknięcia, jak w przypadku ogniw typu halt-cut. Zagrożenia pojawiają się w momencie, gdy producent nie przykłada dostatecznej uwagi do jakości produkcji i stosowanych komponentów. Dlatego nie warto decydować się na półśrodki – najbezpieczniej wybierać sprawdzone moduły fotowoltaiczne od renomowanych producentów. W przypadku wyboru produktów oferowanych przez firmę SunSol, takich jak SunPower, REC, Q.Cells czy LG masz pewność zarówno w kwestii doświadczenia i dbałości o każdy element procesu produkcyjnego u samych producentów, jak najwyższej jakości usługi i montażu dzięki doświadczonym pracownikom SunSol.

Opracowano na podstawie: https://www.pv-magazine-australia.com/2021/05/01/saturday-read-microcracks-and-module-design/