Fallas y fallas del módulo fotovoltaico solar

Fuente: ee.co.za

Los modernos equipos solares fotovoltaicos están diseñados para un funcionamiento confiable durante toda la vida útil del producto. A pesar de esto, todavía se producen defectos de fabricación y fallas prematuras que pueden afectar el rendimiento de un producto.

La fiabilidad y la calidad están diseñadas y integradas en los modernos equipos solares fotovoltaicos. Las técnicas de producción en masa, aunque controladas, y el control de baja calidad aún pueden introducir defectos de fabricación en el producto, y la instalación en el campo, así como el transporte, pueden provocar daños, todo lo cual puede acortar la vida útil de los productos.

Un factor clave para reducir los costos de los sistemas fotovoltaicos es aumentar la confiabilidad y la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Las estadísticas de hoy muestran tasas de degradación de la potencia nominal para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino de 0,8% / año [1]. Aunque los productos modernos están diseñados para hacer uso de materiales de mayor calidad y fabricación mecanizada, la competencia de precios ha resultado en un material más delgado y menos utilizado en la fabricación de paneles. Además, hay evidencia de que algunos fabricantes han vuelto a utilizar materiales de menor calidad a precios más bajos.

La falla prematura de los paneles puede tener una importante implicación financiera para las instalaciones fotovoltaicas, ya que el costo principal del ciclo de vida es el capital. Una falla del módulo fotovoltaico es un efecto que degrada la potencia del módulo que no se revierte con el funcionamiento normal o crea un problema de seguridad.

Un problema puramente cosmético que no tiene ninguna de estas consecuencias no se considera una falla del módulo fotovoltaico. Un fallo del módulo fotovoltaico es relevante para la garantía cuando ocurre en condiciones que el módulo normalmente experimenta [1].

Por lo general, las fallas de los productos se dividen en las siguientes tres categorías:

• Fracasos infantiles

• Fracasos de la mediana edad

• Fallas de desgaste

La figura 1 muestra ejemplos de estos tres tipos de fallas para módulos fotovoltaicos. Además de estas fallas del módulo, muchos módulos fotovoltaicos muestran degradación de la energía inducida por la luz (LID) inmediatamente después de la instalación. El LID es un tipo de falla que ocurre de todos modos y la potencia nominal impresa en la etiqueta del módulo fotovoltaico generalmente se ajusta por la pérdida de potencia saturada estandarizada esperada debido a esta falla.

Fig. 1: Tres escenarios de falla típicos para módulos fotovoltaicos cristalinos basados en obleas [1].

TAPA: degradación inducida por la luz
PID: degradación potencial inducida
EVA: acetato de etileno y vinilo
J-box: caja de conexiones

Falla y ocurrencia de falla

Los estudios detallados de fallas en servicio durante toda la vida útil de los paneles no están disponibles, ya que la mayoría de las instalaciones son recientes, y los proveedores son reacios a publicar tales cifras. Los informes de estudios de mortalidad infantil, es decir, fallas en la instalación, dan cifras entre 1 y 2% de todos los paneles instalados [3]. Se han realizado varios estudios de simulación con tiempos de vida acelerados, pero en un número limitado de paneles.

BP Solar ha informado una tasa de falla del 0,13% durante un período de ocho años para los paneles Solarex c-Si y Sandia National Laboratories ha pronosticado una tasa de falla del 0,05% anual basada en datos de campo [4]. Sin embargo, estas son cifras de vida temprana a corto plazo y no hay cifras disponibles sobre fallas de vida tardía para instalaciones a gran escala.

Defectos mayores y fallas

Las fallas se pueden dividir en tipos de fallas relacionadas con el rendimiento y la seguridad. Las fallas relacionadas con la seguridad podrían ocasionar daños a la propiedad o lesiones al personal. Las fallas relacionadas con el rendimiento resultan en una pérdida o caída en la potencia de salida.

Los defectos ocurren en las siguientes áreas:

• Las obleas o células en productos fotovoltaicos cristalinos

• La encapsulación

• La base de vidrio

• Cableado interno

• Marco y accesorios

• Las capas amorfas en PV amorfo

Fallas de obleas o celdas

El deterioro de la eficiencia de la celda es normal durante la vida útil de la celda y no se considera una falla o falla a menos que la tasa de degradación exceda los límites normales. La mayoría de las fallas de las obleas o celdas serán grietas de la oblea y daños a las conexiones y conductores. Las fallas más pequeñas surgen del daño del revestimiento antirreflectante (ARC) y la corrosión celular. La degradación inducida por la luz en paneles solares amorfos es un efecto conocido y no necesariamente se considera como un fallo. La posible degradación inducida es un fenómeno nuevo que ha aparecido como resultado de voltajes cada vez más altos utilizados en los sistemas fotovoltaicos.

Deslaminación de revestimiento antirreflectante

Un recubrimiento antirreflectante (ARC) aumenta la captura de luz y, por lo tanto, aumenta la conversión de potencia del módulo. La delaminación por ARC ocurre cuando el recubrimiento antirreflectante sale de la superficie de silicio de la célula. Esto no es un defecto grave a menos que haya mucha delaminación [2]. La investigación ha demostrado que las propiedades ARC son un factor causal en la EPI.

Agrietamiento celular

Las grietas en los módulos fotovoltaicos son ubicuas. Pueden desarrollarse en diferentes etapas de la vida útil del módulo.

Durante la fabricación, en particular, la soldadura induce grandes tensiones en las células. El manejo y las vibraciones en el transporte pueden inducir o expandir grietas [4]. Finalmente, un módulo en el campo experimenta cargas mecánicas debido al viento (presión y vibraciones) y nieve (presión).

Las microgrietas pueden ser causadas o agravadas por:

• Fabricar

• Transporte

• Instalación

• Estrés en servicio (térmico y de otro tipo)

Las obleas cristalinas han aumentado de tamaño y disminuido su grosor a lo largo de los años, lo que aumenta el potencial de roturas y grietas. Las grietas en las células solares son un verdadero problema para los módulos fotovoltaicos, ya que son difíciles de evitar y, hasta ahora, básicamente imposibles de cuantificar en su impacto en la eficiencia del módulo durante su vida útil. En particular, la presencia de microgrietas puede tener solo un efecto marginal en la potencia de un nuevo módulo, siempre que las diferentes partes de las celdas sigan conectadas eléctricamente.

A medida que el módulo envejece y está sujeto a tensiones térmicas y mecánicas, pueden introducirse grietas. Un movimiento relativo repetido de las partes celulares agrietadas puede resultar en una separación completa, lo que resulta en partes celulares inactivas. Para este caso especial, es posible una evaluación clara de la pérdida de potencia. Para un módulo FV de 60 celdas y 230 W, la pérdida de partes de la celda es aceptable siempre que la parte perdida sea menor al 8% del área de la celda [3].

Fig. 2: Huellas de caracol debido a microgrietas en las células [1].

Las microgrietas son grietas en el sustrato de silicio de las células fotovoltaicas que a menudo no se pueden ver a simple vista. Se pueden formar grietas de diferentes longitudes y orientación en una célula solar. El corte de la oblea, el tendido de la producción de células y el proceso de incrustación durante el proceso de producción provocan grietas en las células fotovoltaicas. El proceso de formación de cadenas de las células solares tiene un riesgo especialmente alto de introducir grietas [1].

Hay tres fuentes diferentes de microgrietas durante la producción; cada uno tiene su propia probabilidad de ocurrencia:

• Las grietas que comienzan desde la cinta de interconexión celular son causadas por la tensión residual inducida por el proceso de soldadura. Estas grietas se ubican con frecuencia en el extremo o en el punto de inicio del conector, ya que existe la mayor tensión residual. Este tipo de crack es el más frecuente.

• La llamada grieta cruzada, que es causada por la maquinaria que presiona la oblea durante la producción.

• Las grietas que comienzan desde el borde de la celda son causadas por el impacto de la celda contra un objeto duro.

Una vez que las grietas celulares están presentes en un módulo solar, existe un mayor riesgo de que, durante el funcionamiento del módulo solar, las grietas de celdas cortas se conviertan en grietas más largas y más anchas. Esto se debe a la tensión mecánica causada por la carga de viento o nieve y la tensión termomecánica en los módulos solares debido a las variaciones de temperatura causadas por el paso de las nubes y las variaciones climáticas.

Las microgrietas pueden tener diversos orígenes y dar lugar a resultados más bien "blandos", como la reducción del rendimiento de partes de la célula afectada hasta impactos más graves que implican una disminución de la corriente de cortocircuito y la eficiencia de la célula. Visualmente, pueden aparecer microgrietas en forma de los llamados "rastros de caracol" en la estructura celular. Sin embargo, los rastros de caracol, como una señal de impacto a largo plazo, también pueden ser el resultado de un proceso químico que hace que la superficie de la célula cambie y / o puntos calientes.

Dependiendo del patrón de grietas de las grietas más grandes, el estrés térmico, mecánico y la humedad pueden conducir a partes de la celda "muertas" o "inactivas" que causan una pérdida de potencia de la celda fotovoltaica afectada. Una parte de celda muerta o inactiva significa que esta parte particular de la celda fotovoltaica ya no contribuye a la salida de potencia total del módulo solar. Cuando esta parte muerta o inactiva de la célula fotovoltaica es mayor al 8% del área total de la célula, dará lugar a una pérdida de potencia que aumentará de forma lineal con el área de la célula inactiva [1].

Las grietas potencialmente crecen durante un tiempo operativo más prolongado y, por lo tanto, extienden su impacto malicioso en la funcionalidad y el rendimiento de un módulo fotovoltaico, lo que también puede provocar puntos calientes. Las micro grietas no detectadas pueden dar como resultado una vida útil de campo menor a la esperada. Difieren en tamaño, ubicación en la celda y calidad de impacto.

Se pueden detectar microgrietas en el campo antes de la instalación y durante la vida útil de un proyecto. Existen diferentes métodos de prueba de calidad para identificar microgrietas, de las cuales la prueba de detección de grietas por electroluminiscencia (EL) o electroluminiscencia (ELCD) es uno de los métodos más aplicados. Las pruebas EL pueden detectar defectos ocultos que antes eran imposibles de rastrear por otros métodos de prueba, tales como imágenes infrarrojas (IR) con cámaras térmicas, características VA y pruebas con flash [1]. Algunos fabricantes recomiendan una inspección periódica de los paneles instalados durante la vida útil [3].

Fallas de encapsulación

Un panel solar es un "emparedado", compuesto de diferentes capas de materiales (Fig. 3).

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

Los materiales encapsulantes se utilizan para:

• Resiste el calor, la humedad, la radiación UV y el ciclo térmico.

• Proporcionar una buena adhesión

• Acopla ópticamente el vidrio a las células

• Aislar componentes eléctricamente

• Controlar, reducir o eliminar la entrada de humedad.

El material más común utilizado para la encapsulación es el acetato de vinil etano (EVA). La falla del encapsulante puede resultar en falla o deterioro del módulo fotovoltaico.

Fallo de adhesión

La adhesión entre el vidrio, el encapsulante, las capas activas y las capas posteriores puede verse comprometida por muchas razones. La película delgada y otros tipos de tecnología fotovoltaica también pueden contener un óxido conductor transparente (TCO) o una capa similar que puede deslaminarse desde una capa de vidrio adyacente.

Por lo general, si la adhesión se ve comprometida debido a la contaminación (por ejemplo, limpieza inadecuada del vidrio) o factores ambientales, se producirá una delaminación, seguida de ingreso de humedad y corrosión. La delaminación en las interfaces dentro de la ruta óptica dará como resultado una reflexión óptica (por ejemplo, hasta 4%, pérdida de potencia, en una sola interfaz aire / polímero) y la consiguiente pérdida de corriente (potencia) de los módulos [1].

Producción de ácido acético

Las láminas de EVA reaccionan con la humedad para formar ácido acético que acelera el proceso de corrosión del componente interno de los componentes del módulo fotovoltaico. Esto también puede resultar del proceso de envejecimiento de EVA y puede atacar los contactos de plata y afectar la producción celular. Para láminas posteriores permeables, esto no es un problema porque el ácido acético puede escapar. Sin embargo, para las láminas posteriores impermeables, este defecto puede causar pérdidas de energía sustanciales con el tiempo.

Decoloración encapsulante

Esto dará como resultado una pérdida de transmisión y, por lo tanto, una reducción de potencia. La decoloración se debe al blanqueamiento del oxígeno, por lo que con una lámina posterior transpirable, el centro de las células se decolora mientras que los anillos exteriores permanecen limpios. Esto puede ocurrir debido a una mala reticulación y / o aditivos en la formulación de EVA.

Fig. 4: EVA descolorida [5].

Sin concentración, lleva de cinco a diez años ver decoloración y más tiempo para comenzar a reducir considerablemente la potencia de salida. No es el EVA en sí el que decolora, sino los aditivos en la formulación. Este defecto puede evitar que algo de luz llegue al panel [5].

Delaminación

La delaminación es la separación del encapsulante del vidrio o la célula. La delaminación puede ser entre el sustrato (vidrio), el sustrato (lámina posterior) y el encapsulante o entre el encapsulante y las células. La delaminación del vidrio frontal puede ocurrir debido a una mala adherencia de EVA o procedimientos de limpieza de vidrio deficientes durante el proceso de fabricación. Este defecto puede evitar que algo de luz llegue al panel. El problema puede ser más grave si la humedad se acumula en el vacío y crea cortocircuitos cerca de los cables de soldadura.

La delaminación de la célula probablemente se deba a una mala reticulación o contaminación de la superficie celular. Este defecto puede ser grave porque cuando se crea una burbuja de aire en el laminado, existe la posibilidad de acumulación de humedad y cortocircuitos. La delaminación del inserto ocurre si el EVA no se adhirió bien al inserto durante la fabricación.

Las nuevas vías y la posterior corrosión después de la delaminación reducen el rendimiento del módulo, pero no plantean automáticamente un problema de seguridad. Sin embargo, la delaminación de la lámina posterior puede permitir la posibilidad de exposición a componentes eléctricos activos. Cuando un módulo está construido con láminas frontales y posteriores de vidrio, puede haber tensiones adicionales que mejoran la delaminación y / o la rotura del vidrio.

Defectos en la hoja posterior

La hoja posterior de un módulo sirve tanto para proteger los componentes electrónicos de la exposición directa al medio ambiente como para proporcionar un funcionamiento seguro en presencia de altos voltajes de CC. Las láminas posteriores pueden estar compuestas de vidrio o polímeros, y pueden incorporar una lámina metálica.

Fig. 5: Delaminación (Rycroft).

Más comúnmente, una lámina posterior está compuesta de una estructura laminada con un polímero altamente estable y resistente a los rayos UV, a menudo un fluoropolímero en el exterior, expuesto directamente al medio ambiente, una capa interna de PET, seguido de la capa encapsulante [1] .

Cuando se usa un vidrio posterior en lugar de una lámina posterior, puede fallar al romperse. Si el módulo se construye como un dispositivo de película delgada en la lámina posterior (sustrato CIGS), esto presenta un riesgo de seguridad significativo además de una pérdida de potencia significativa o, más probablemente, completa para ese módulo. Puede haber un pequeño espacio a lo largo de las grietas y algo de voltaje que sea capaz de producir y mantener un arco eléctrico.

Si esto sucede junto con la falla de un diodo de derivación, todo el voltaje del sistema podría estar presente a través del espacio creando un arco grande y sostenido que probablemente derretirá el vidrio, posiblemente iniciando un incendio. Sin embargo, si una lámina posterior de vidrio se rompiera en un módulo de Si cristalino típico, todavía habría una capa de encapsulante para proporcionar una pequeña medida de aislamiento eléctrico.

La delaminación del EVA puede ocurrir debido a una mala adhesión entre el EVA y la lámina posterior o si la capa de adhesión de la lámina posterior está dañada por la exposición a los rayos UV o un aumento de temperatura.

El amarillamiento del lado frontal es causado por una degradación del polímero utilizado para promover la adhesión de la lámina posterior específica al encapsulante. El amarillamiento a menudo se asocia con el empeoramiento de las propiedades mecánicas. Con este defecto, es probable que la hoja posterior pueda eventualmente deslaminarse y / o agrietarse [3].

El amarillamiento del lado del aire es un signo de sensibilidad a los rayos UV que puede ser acelerado por las altas temperaturas. Este defecto también ocurre en algunas láminas posteriores como resultado de la degradación térmica. El amarillamiento a menudo se asocia con el empeoramiento de las propiedades mecánicas. Con este defecto, es probable que la hoja posterior pueda eventualmente deslaminarse y / o agrietarse [3].

Puntos calientes

El calentamiento de punto caliente ocurre en un módulo cuando su corriente de operación excede la corriente de cortocircuito reducida (I _sc ) de una celda o grupo de celdas sombreadas o defectuosas. Cuando ocurre tal condición, la célula o grupo de células afectadas se ve forzada a polarización inversa y debe disipar energía.

Fig. 6: Células solares de silicio cristalino interconectadas en serie con cinta adhesiva [6].

Si la disipación de potencia es lo suficientemente alta o localizada, la celda con polarización inversa puede sobrecalentarse y provocar la fusión de la soldadura y / o el silicio y el deterioro del encapsulante y la lámina posterior [5].

Cinta de conductor y fallas en las juntas

Las células solares están equipadas con dos elementos básicos, los contactos frontal y posterior, que permiten la entrega de corriente al circuito externo. La corriente es transportada por tiras de bus que están soldadas a los contactos frontal y posterior. Una falla de la cinta de la cadena está asociada con la pérdida de potencia de salida. Las interrupciones de la interconexión se producen como resultado de la expansión y contracción térmica o la tensión mecánica repetida. Además, una cinta o pliegues más gruesos en la cinta contribuyen a la ruptura de las interconexiones y dan como resultado células en cortocircuito y células en circuito abierto.

Una parte crítica del módulo son las interconexiones de la unión de soldadura. Se componen de muchos materiales unidos entre sí, incluida la soldadura, la barra colectora, la cinta y la oblea de silicio. Estos materiales poseen diferentes propiedades térmicas y mecánicas. En la unión, el conjunto desarrolla problemas de confiabilidad termomecánica que son causados por diferencias en el coeficiente de expansión térmica de los materiales unidos. La soldadura proporciona una conexión entre el electrodo y la cinta.

La temperatura del módulo fotovoltaico varía según el clima local, lo que a su vez afecta la tasa de degradación de la interconexión de la soldadura. En un análisis de modelado de predicción de por vida se informó que para el mismo tipo de módulos fotovoltaicos c-Si ubicados en varias condiciones climáticas, la vida útil fue más corta en un desierto seguido de los trópicos.

Aunque el uso del proceso de soldadura en el ensamblaje de células solares en módulos fotovoltaicos tiene la ventaja de producir productos que poseen una alta confiabilidad a un costo mínimo de producción, la tecnología ocurre a altas temperaturas con potencial inherente para producir tensión de corte en la oblea de silicio. El fallo y la degradación de las juntas de soldadura provoca un aumento de la resistencia en serie, lo que conduce a la pérdida de potencia.

Vida útil del módulo

Todas las fallas anteriores contribuyen a la degradación y la falla final de los paneles fotovoltaicos. Los módulos fotovoltaicos están diseñados para durar 20 años o más, y los nuevos módulos se someten a programas de prueba acelerados que simulan los efectos del calor, la humedad, los ciclos de temperatura, la radiación UV y otros factores [5]. Los resultados de los programas de prueba realizados por Kohl se muestran en la Fig. 7 [7].

Fig. 7: Pruebas de envejecimiento acelerado en módulos comerciales de c-Si [7].

Un nivel de potencia normalizado de 0,8 generalmente se toma como el final de la vida útil de un panel fotovoltaico. Se puede ver por las curvas de prueba que los paneles se deterioran rápidamente después de este punto.

A principios de la década de 1990, las garantías de diez años eran típicas. Hoy, casi todos los fabricantes ofrecen garantías de 20 a 25 años. Pero una garantía de 25 años no significa que el proyecto esté protegido. Hay que hacer las siguientes preguntas:

• ¿El proveedor del módulo estará disponible en 15 años cuando se encuentren problemas?

• ¿El proveedor financia una cuenta de depósito en garantía para garantizar que si se va, el proyecto estará protegido?

• ¿El proveedor simplemente confía en las pruebas de calificación IEC para hacer afirmaciones sobre la durabilidad a largo plazo?

• Si el proveedor solo ha existido durante cinco años, ¿cómo puede afirmar que los módulos duran 25 años?

El aumento en la duración de las garantías es prometedor, pero un inversionista o desarrollador debe revisar cuidadosamente la compañía que lo proporciona [4].

Referencias

[1] AIE: “ Revisión de fallas de módulos fotovoltaicos ”, Informe final externo de la Tarea 13, AIE-PVPS, marzo de 2014.
[2] Dupont: “ Una guía para comprender los defectos del panel solar: desde la fabricación hasta los módulos desplegados ”, www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: " Estadísticas de grietas de módulos fotovoltaicos cristalinos ", 26ª Conferencia y Exposición Europea de Energía Solar Fotovoltaica, 2011.
[4] E Fitz: " El impacto final de la fiabilidad del módulo fotovoltaico ", Renewable Energy World, marzo de 2011.
[5] J Wolgemuth et al: “ Modos de falla de los módulos de Si cristalino ”, PV Module Reliability Workshop 2010.
[6] M Zarmai: " Una revisión de las tecnologías de interconexión para mejorar el ensamblaje del módulo fotovoltaico de células solares de silicio cristalino ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: Fiabilidad PV (Cluster II): Resultados de un proyecto conjunto alemán de cuatro años - Parte I, resultados de pruebas de envejecimiento acelerado y modelado de degradación, 25 UE-PVSEC, 2010.