O&M&P : OPERATION & MAINTENANCE & PERFORMANCE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI. Fiera Milano 9 maggio 2014

Transcript

1 O&M&P : OPERATION & MAINTENANCE & PERFORMANCE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI Fiera Milano 9 maggio 2014 Analisi del degrado delle caratteristiche dei moduli di nuova generazione affetti dai fenomeni bave di lumaca e PID - Potential Induced Degradation : risultati di prove sperimentali campionarie Dario Bertani, RSE - Ricerca Sul Sistema Energetico Introduzione Solo in Italia installati oltre 90mln di moduli FV I moduli sono sottoposti a controlli di qualità (CEI EN 61215); Nuove condizioni operative e nuove tecnologie costruttive hanno causato l insorgere di difetti sin qui sconosciuti (non riscontrabili con l applicazione dell attuale metodologia di prova); Attività di ricerca internazionale per sperimentare nuove sequenze di prova Di seguito si presenta l esperienza di RSE nell ambito della Ricerca per il sistema elettrico, in collaborazione con operatori FV italiani, riguardo a due dei fenomeni più ricorrenti: Bave di lumaca (o Snail Trails) PID (Potential Induced Degradation)

2 Bave di lumaca (Snail Trails) Si presentano sotto forma di alterazioni cromatiche (striature scure) sulla superficie di moduli FV in silicio cristallino; Solitamente causate da scolorimento localizzato dei contatti in Ag; Responsabili di oltre il 50% dei difetti estetici individuabili ad occhio nudo; Si manifestano da alcuni mesi ad alcuni anni a partire dall esposizione agli agenti atmosferici Snail Trails: cause Condizione necessaria alla formazione delle bave è la presenza di micro-cricche all interno delle celle; Un certo quantitativo di umidità penetrata attraverso il backsheet si diffonde verso il lato anteriore del modulo; Ioni di Ag si dissolverebbero migrando verso l EVA; Tramite reazioni chimiche con composti presenti nell EVA gli ioni Ag+ si riducono formando particelle metalliche che danno luogo all alterazione cromatica S. Meyer et al., Snail trails root cause analysis and prevention. 28 th EU PVSEC (WIP, Paris, France, 2013)

3 Snail Trails: effetti Fenomeno accelerato da incremento di temperatura, umidità ed esposizione a UV; Sviluppata sequenza di prove per indurre bave in lab., tuttavia nessuno standard internazionale; Ad oggi nessun effetto a breve termine direttamente attribuibile alle bave di lumaca sulle prestazioni dei moduli FV; Eventuali perdite di potenza causate dalle fratture nelle celle; Osservato in alcuni moduli affetti da bave incremento della porosità nei contatti metallici; Conseguenze a lungo termine? J. Berghold, et al., Electrochemical corrosion within solar panels, 27th EU PVSEC (WIP, Frankfurt, Germany, 2012) Snail Trails: prove sperimentali Moduli in silicio policristallino (già certificati CEI EN 61215); Installati nel 2010 in un comune lombardo ed affetti da Snail Trails in modo evidente; 9 moduli prelevati e sottoposti nuovamente alla sequenza di certificazione completa (CEI EN 61215)

4 Snail Trails: risultati prove sperimentali di RSE Sample ID Pmp iniziale Pmp finale Degrado Limite Pass/Fail [W] [W] % % A 210,7 B1 206,5 201,2 2,5 8 P B2 205,6 200,6 2,2 8 P C1 205,8 195,3 5,1 8 P C2 209,2 205,6 1,7 8 P D1 212,0 211,8 0,1 8 P D2 207,1 204,6 1,2 8 P E1 208,0 196,0 5,8 8 P E2 209,6 204,4 2,5 8 P Degrado inferiore al limite previsto per tutti i campioni, esito prove positivo Potenza massima dei moduli già ridotta prima dell inizio dei test Differenza media del -9% rispetto alla potenza di targa (230W) Snail Trails: analisi ad elettroluminescenza Campione B1: Pmp = 206,5W (89,5% della P nominale) Verificata corrispondenza tra percorso Snail Trails e percorso cricche

5 Snail Trails: risultati prove sperimentali Resistenza di isolamento misurata in ambiente asciutto abbondantemente superiore al limite previsto; Resistenza di isolamento misurata in ambiente umido di poco superiore a 100MΩ: presenza correnti parassite 10μA; Test più gravosi: stress termici in presenza di elevata umidità (o esposizione a UV) J. Berghold, et al., Electrochemical corrosion within solar panels, 27th EU PVSEC (WIP, Frankfurt, Germany, 2012) Sample ID Pmp iniziale Pmp finale Degrado Test [W] [W] % A 210,7 C1 205,8 195,3 5,1 TC+UV C2 209,2 205,6 1,7 TC+UV E1 208,0 196,0 5,8 DH E2 209,6 204,4 2,5 DH Snail Trails: conclusioni Verificata corrispondenza tra il percorso delle bave e quello delle microfratture presenti all interno delle celle FV; Diminuzione Pmp inferiore al limite ipotizzato per tutti i campioni: degrado delle proprietà elettriche ed ottiche inferiori ai limiti previsti dalla norma; I moduli con caratteristiche peggiori (potenza iniziale inferiore, maggior n di cricche, peggiore isolamento, ecc.) hanno mostrato un degrado più marcato delle prestazioni in seguito alle prove 61215; Analisi ad EL e misura Riso in ambiente umido si confermano le prove più adatte per valutare l entità del fenomeno Sembra possibile affermare che le prestazioni a lungo termine dei moduli non vengano consistentemente compromesse dalla presenza del difetto in esame

6 PID (Potential Induced Degradation) Fenomeno già noto in passato con il nome di polarizzazione superficiale limitatamente ad alcune tipologie di moduli, quali ad esempio: Moduli in Si-mono ad elevata efficienza; Moduli in film sottile (CdTe, Si-amorfo). Moduli tradizionali (silicio cristallino) inizialmente ritenuti non suscettibili al fenomeno di degrado. R. Swanson et al., The Surface Polarization Effect in High Efficiency Silicon Solar Cells, 15th IEEE PVSC, 2005, pp Sempre maggiore n di impianti affetti da PID, con conseguenze anche importanti sulla produzione energetica. K.W. Jansen, EPV, SPIE PV, 8/2008 PID: possibili cause Principali cause che portano al manifestarsi del PID (tutt ora non chiarite fino in fondo) possono essere raggruppate in differenti livelli : Sistema: elevato valore della tensione verso terra vista dal modulo FV (importante soprattutto il segno); Modulo/cella: tipologia vetro, composizione EVA, strato anti-riflettente (ARC), profondità emettitore. Più in generale risulta determinante la qualità dell isolamento elettrico del modulo. Ambiente: il manifestarsi del fenomeno è accelerato dall incremento di umidità e temperatura AE Advanced Energy Understanding Potential Induced Degradation

7 PID: effetti Effetti irreversibili: corrosione TCO (limitatamente a moduli in film sottile) Effetti reversibili: effetto polarizzante, accumulo di carica statica tra superficie cella ed EVA con diverse possibili conseguenze: Formazione di un campo elettrico con effetto anti-passivante (aumento perdite per ricombinazione); Accumulo di carica positiva causa parziale neutralizzazione dell effetto dopante, la diminuzione del campo elettrico a cavallo della giunzione p-n e quindi dell effetto fotovoltaico della cella. SMA PID Duennschicht TI UEN PID: effetti Fenomeno relativamente facile da individuare, tramite analisi ad elettroluminescenza. J. Berghold PID and correlation with field experiences Berlin PI; S.Pingel, Potential induced degradation of solar cells and panels Effetti reversibili tramite inversione polarità. Pingel et al. Recovery methods for PID

8 PID: prevenzione Diverse possibilità per impedire l insorgere del PID: A livello di sistema: messa a terra del polo negativo (non sempre possibile); A livello di modulo: scelta della tipologia di vetro frontale (es. vetro al quarzo), ottimo isolamento elettrico (e/o EVA con ridotta permeabilità agli ioni); A livello di cella: modifiche a determinate proprietà dell ARC o dell emettitore, consentono di impedire efficacemente il verificarsi del fenomeno (comportano però un aumento dei costi di produzione e/o riduzione dell efficienza). Non è possibile determinare se un modulo è immune al PID a partire delle caratteristiche elettriche e dai materiali utilizzati: necessità di una procedura di prova riconosciuta a livello internazionale PID: prove di suscettibilità Norma IEC in fase di preparazione per moduli in silicio cristallino (62804), pubblicazione attesa per fine Perplessità riguardo alle modalità con cui incrementare la conduttività superficiale del modulo (proposti due metodi): PID test Ambiente di prova Camera climatica Laboratorio con T controllata Condizioni di prova 60 C, 85% RH 25 C, <60% RH Collegamento elettrico Messa a terra della cornice metallica Foglio di alluminio sulla superficie frontale Durata 96h (4 giorni) 168h (7 giorni) Tensione applicata ±1000V ±1000V Criterio Pass/Fail Pmp < 5% Pmp < 5%

9 PID: prove di suscettibilità, risultati di RSE Moduli in silicio policristallino: Sample# PID test First Ratio Last Ratio Degrado % Limite % Pass/Fail A 1 B1 Camera climatica 0,959 0,956 0,3% 5% P B2 Camera climatica 0,967 0,956 1,1% 5% P C 1 D1 Camera climatica 0,998 1,005 0,7% 5% P D2 Camera climatica 0,996 1,003 0,7% 5% P A 1 E1 Al foil 0,986 0,983 0,3% 5% P E2 Al foil 0,988 0,983 0,5% 5% P Tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) sample# PID test First Ratio Last Ratio Degrado % Limite % Pass/Fail Camera climatica 0,988 0,973 1,5 5 P Camera climatica 0,992 0,984 0,8 5 P PID: prove di suscettibilità, conclusioni Degrado inferiore al limite previsto per tutti i campioni: esito prove positivo Risultati conseguiti non risolutivi in quanto possono indicare che i moduli sono di buona qualità e non sono suscettibili a PID, ma anche che la procedura utilizzata non è in grado di indurre efficacemente il fenomeno di degrado (relativamente a moduli realizzati in particolari tecnologie innovative) P.Lechner NREL PV Module Reliability Workshop, Golden, Feb 26/27, 2013 I risultati di questi test saranno utilizzati come riferimento nel corso di sperimentazione di analoghe procedure su altre tipologie di moduli, realizzati in differente tecnologia e/o di produttori di qualità non nota S. Koch, NREL PV Module Reliability Workshop,

10 Credits IEA PVPS Task 13 (Performance and Reliability of Photovoltaic Systems) Report scaricabili presso: Progetto EU SOPHIA (Solar photovoltaic european research infrastructure) Report scaricabili presso: Collaborations: Dario Bertani Questo lavoro èstato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell ambito dell Accordo di Programma tra RSE S.p.A. ed il Ministero dello Sviluppo Economico D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica in ottemperanza del DM, 8 marzo 2006.