Come individuare la qualità di un modulo FV

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1 Come individuare la qualità di un modulo FV Ing. Cinzia Camilloni

2 Costi del FV I Moduli fotovoltaici, all interno di un impianto, rappresentano la principale voce di costo. Per questo motivo la scelta dei moduli all interno di un impianto FV deve essere ben ponderata. Spesso si sente dire da molti: I moduli sono tutti uguali I moduli sono prodotti tutti in Cina Non è vero che i moduli durano 20 anni Non si può generalizzare. Le precedenti affermazioni non sono sempre vere! 2

3 Moduli FV I moduli FV non sono tutti uguali. Non si può ridurre la scelta in base ai seguenti parametri: 1.Rendimento [%]; 2.Potenza [Wp]; 3.Prezzo [ ]. Nella scelta dei moduli viene sempre trascurato un parametro fondamentale: La producibilità La producibilità di un modulo FV è strettamente legata alla Qualità delle componenti del modulo 3

4 Come è fatto un modulo Dato che la potenza sviluppata da una singola cella è piccola, ai fini pratici più celle vengono collegate elettricamente tra loro per realizzare un generatore fotovoltaico detto modulo. Le prestazioni e la durata di tale modulo, oltre che dalla qualità degli elementi attivi (le celle), dipendono anche da come queste vengono assemblate e protette nel modulo stesso. Le principali componenti che costituiscono in modulo fotovoltaico sono: Celle Ribbon Vetro EVA TPT Junction Box Diodi Frame in Alluminio 4

5 Le celle FV in Si-c rappresentano il cuore del modulo. Celle FV Sono le celle che, colpite da fotoni, generano energia elettrica in CC. Le celle in silicio cristallino si dividono in due macro categorie per quanto riguarda il lingotto d origined origine: Policristalline 14,4 16,4% Monocristalline 14,5 17% N.B. il gap di rendimento tra mono e poli è coperto dal fatto che all interno del modulo le celle poli permettono di avere una superficie captante netta maggiore. Le celle in silicio cristallino sono costruite con 3 dimensioni di riferimento: 5

6 I contatti sulle celle possono essere di diverso tipo: Celle FV 3BB 2BB Back Contact Nonostante ormai ci siano diversi produttori di celle sul mercato, la disponibilità di celle è ancora il punto critico nella produzione di moduli. Inoltre non tutti i produttori riescono a produrre celle di alta qualità. La nostra azienda, per evitare di aver problemi di qualità di prodotto, si è affidata al produttore leader del mercato (1 produttore Europeo, 1 al mondo): 6

7 Vetro La matrice di celle deve essere protetta in modo appropriato al fine di garantire una vita al modulo di oltre 20 anni. Quindi la struttura completa deve essere studiata per resistere a carichi meccanici, agenti atmosferici, umidità, oltre a garantire un livello di sicurezza per isolamento elettrico. La presenza del vetro fa si che non tutta la radiazione solare arrivi a colpire le celle e quindi generare energia. Fondamentalmente il vetro funge da filtro alla radiazione solare 7

8 Vetro Quindi maggiore è il fattore di trasmittanza energetica del vetro e migliori sono le prestazioni del modulo. Per questo motivo viene usato un VETRO SODICO CALCICO (soda-lime glass ) a bassissimo contenuto di ferro. 8

9 Per migliorare le prestazioni energetiche del modulo si possono usare, in alternativa al vetro classico extrachiaro, dei vetri aventi la superficie: 1.Sabbiata 2.Prismatica Vetro Lo spessore del vetro può andare da 2 mm a 4 mm. Il vetro deve resistere per moltissimo tempo alle sollecitazioni meccaniche. I produttori di moduli a basso costo utilizzano vetri di bassa qualitq ualità. Avendo il loro vetro pessime prestazioni energetiche, l unico modo che hanno per migliorare le prestazioni (e quindi non penalizzare il rendimento del modulo) è quello di ridurre sensibilmente lo spessore del vetro e prendere come unico parametro di riferimento per la scelta di questo il fatto che il modulo debba superare i test previsti dalla IEC61215ed.2. 9

10 Ribbon Per saldare le celle fra loro si usano dei nastrini di Rame stagnato. Sono generalmente commercializzati sotto forma di bobine. Usare ribbon di bassa qualità può comportare qualche problema di ossidazione dello stesso all interno del modulo con conseguente deterioramento del modulo stesso. Fonte: Photon International 10

11 Ribbon Usare ribbon di bassa qualità può comportare la non costanza della stagnazione del ribbon. Non uniformità della saldatura all interno delle stringhe. Falsi contatti all interno della stringa Hot Spot Fonte: Tüv Rheinland 11

12 Ribbon Usare ribbon che non ha subito adeguati trattamenti termici e adeguati trattamenti meccanici Possibili fratture nel ribbon di interconnessione delle celle Possibili archi elettrici in CC all interno del modulo Fonte: Tüv Rheinland 12

13 EVA Gli strati di EVA tra i quali viene posizionata la matrice di celle, sono strati di plastica costituita da lunghe molecole con una catena portante di carbonio con un singolo legame covalente, unitamente a agenti solidificanti e stabilizzanti. Si tratta di materiale termoplastico che cambia la propria forma se riscaldata. L EVA, durante la laminazione, fonde e poi polimerizza in modo tale da incapsulare le celle e da proteggerle da agenti esterni. Gli EVA di alta qualità: Non ingialliscono facilmente nel tempo Hanno ritiri contenuti. Garantiscono un alta trasmissione energetica basso filtro alla radiazione solare alto smaltimento di calore 1)EVA di alta qualità 2)EVA di bassa qualità ingiallito 3)EVA di bassa qualità che diventa marrone 4)EVA di bassa qualità che scolorisce il Back Sheet 13

14 Back Sheet La parte posteriore del modulo è realizzata con materiale plastico che funge da barriera per l umiditl umidità e gli elementi corrosivi. Ha il compito di isolare elettricamente il modulo. A seconda dello spessore del Poliestere varia il grado di isolamento del modulo e quindi la tensione massima di sistema. Il back sheet è è un accoppiamento di fogli di diversi materiali plastici. Fino ad oggi si è usato sempre il TPT che è costituito da: Tedlar Poliestere Tedlar 14

15 Back Sheet Poiché il Tedlar è prodotto da un unica azienda al mondo attualmente, in seguito alla crescita del mercato, si ha una carenza di materiale sul mercato. In seguito a tale carenza di materiale sul mercato tutti i produttori di back sheet si sono messi alla ricerca di nuovi materiali e hanno provveduto alla sperimentazione. Tutti i produttori di Back Sheet di qualità attualmente stanno testando i nuovi materiali per poter garantire una durata nel tempo. I produttori asiatici si sono mossi alla stessa stregua ma la loro fase di sperimentazione non è durata molto. Moduli con tali back sheet di bassa qualità molto spesso riescono a superare i 200 cicli termici previsti dalla IEC ed.2. 15

16 Back Sheet Uno dei principali problemi causati dalla bassa qualità dei back sheet è la Delaminazione Fonte: European Commission, Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit - LIFETIME PERFORMANCE OF CRYSTALLINE SILICON PV MODULES Fonte: Abstract 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, France 16

17 Back Sheet Altro problema causato dalla bassa qualità dei back sheet è il Distaccamento Fonte: Abstract 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, France 17

18 Junction Box Le bandelle terminali che raccolgono la serie di celle del modulo fotovoltaico vengono fatte uscire dalla parte posteriore del modulo attraverso un taglio nel Back Sheet. Le scatole di giunzione contengono a loro interno i diodi di by-pass pass. La presenza dei diodi di by-pass consente l'isolamento di singole stringhe di celle del modulo nel caso di malfunzionamento dovuto a ombreggiamenti, limitando di fatto la riduzione della potenza erogata dal modulo e/o dalla stringa che si manifesterebbe in loro assenza. 18

19 Junction Box Se all interno delle scatole di giunzione non vengono fatte in maniera corretta le connessioni (cavi non crimpati) si può incorrere in archi elettrici in CC. Fonte: Tüv Rheinland Scatole di giunzione di alta qualità sono conformi alla IEC nd Edition ed evitano surriscaldamenti locali. Inoltre sono TÜV and UL approved. 19

20 Junction Box Le scatole di giunzione sono equipaggiate con speciali connettori stagni che permettono un veloce collegamento tra i moduli. Connettori di bassa qualità si possono surriscaldare a causa di falsi contatti all interno dello stesso connettore. Fonte: Tüv Rheinland 20

21 Frame Se il Frame non è ben incollato (mediante del silicone o del biadesivo) al modulo si possono avere dei distaccamenti dovuti alla sollecitazione meccanica del modulo stesso Fonte: Tüv Rheinland 21

22 Manifattura Per ottenere moduli di alta qualità è necessario che le celle non vengano assolutamente toccate dagli operatori. Fonte: Photon International 5/2006 Per questo motivo la Brandoni Solare ha acquistato una linea di produzione automatica dove la stringatura delle celle viene fatta da una saldatrice automatica soft pin. 22

23 Manifattura La stringatrice (saldatrice automatica che salda tra loro le celle) è il cuore della linea produttiva. La bontà di una stringatrice fa si che: 1.Il tasso di rottura delle celle sia bassissimo e non vi siano microcricche nelle celle. 2.La saldatura del ribbon sulla cella sia stabile nel tempo Fonte: Tüv Rheinland Corrosione nella zona di saldatura Fonte: Tüv Rheinland 23

24 Manifattura È di fondamentale importanza che tutte le saldature siano ben fatte e i macchinari siano tali da rendere i processi di saldatura perfettamente ripetibili. Attualmente nel 90% delle produzioni di moduli l interconnessione delle stringhe viene fatta manualmente. La Brandoni Solare si è dotata di una serie di Robot automatici che provvedono a compiere tali saldature 24

25 Manifattura Tale robot di saldatura rende il processo di interconnessione delle stringhe totalmente automatico. Grazie a tale tecnologia siamo in grado di evitare possibili falsi contatti nelle saldature di interconnessione delle stringhe e quindi di evitare possibili archi elettrici in CC. Fonte: Tüv Rheinland 25

26 Coefficienti di temperatura I moduli in silicio cristallino sono influenzati dalla temperatura per quanto riguarda le performance. Più i valori di questi parametri sono bassi e meno i moduli sono sensibili alla temperatura 26

27 Tolleranza di produzione La tolleranza di fabbricazione è un dato percentuale (generalmente variabile dal ±3% al ±10%) che ogni produttore dichiara in relazione ai propri standard qualitativi di produzione. Tanto minore è la tolleranza dichiarata, tanto più stabili e predicibili saranno le prestazioni elettriche del modulo, a pari condizioni di utilizzo. La tolleranza della potenza nominale dei moduli Brandoni Solare è ±3%. Più è bassa la tolleranza e più è facile che la potenza del modulo acquistato sia pari a quella di targa. Fonte: FV Fotovoltaici Novembre-Dicembre

28 Comparative Abbiamo già visto che sussistono differenze evidenti all occhio tra prodotti di alta e di bassa qualità. La più importante differenza è però la producibilità di energia. Il cliente ammortizza l impianto in base all energia da questo prodotta. Se l impianto produce meno energia, i tempi di rientro economico sono più lunghi. Una comparativa è stata fatta dai Photon Lab s. Fonte: Photon International 2/

29 Comparative Da tale comparativa si vede chiaramente che ci sono differenze notevoli di output di energia tra moduli di alta qualità. Risparmiare sui moduli in fase di acquisto non vuol dire aver fatto un buon affare dato che il conto energia paga l energia l prodotta. 29