ZNALECKÝ POSUDEK Metodika testování PV modulů Zařízení SOLAR SERVICE TEST LAB Červen 2010 Ing. Milan Tomeš, CSc. Soudní znalec Energetika -OZE
Metodika testování PV modulů MOBIL SOLAR SERVICE TEST LAB Firma SOLAR SERVICE, s.r.o. vyvinula mobilní zařízení MOBIL SOLAR SERVICE TEST LAB pro testování vad solárních PV modulů.. Zařízení umožňuje rutinní a rychlé měření PV panelů přímo na stanovišti PV elektrárny. Využití zařízení: Vstupní kontrola kvality PV modulů ještě před namontováním do stringů PVE. Jedná se o velmi důležitou kontrolu garanci kvality a životnosti PVE. Tuto kontrolu budou vyžadovat bankovní ústavy před uzavřením úvěrových smluv a pojišťovací ústavy před sjednáním pojistných smluv. Kontrola PV modulů na stanovišti PVE při řešení pojistných událostí. Kontrola možných poruch PV modulů způsobených dopravou na místo PVE. Kontrola možných poruch PV modulů způsobených neodbornou montáží PVE. Výhody testovací metodiky: Zviditelnění výrobních a materiálových vad PV článků v PV modulu Zviditelnění prasklin článků a mikroprasklin (cracks) ve struktuře PV článku Ukáže odtrženou sběrnou pásku (busbar) Ukáže mikroskopicky přerušené sběrací prsty (fingers) Materiálové nehomogenity vzniklé při výrobě krystalů Dokumentuje kvalitu výrobního procesu PV článků a PV modulů. Dokumentuje tak i kvalitu výrobce těchto komponent.
Zdroje defektů v solárních článcích Mnohé defekty ve výchozích polovodičových materiálech se dostávají do solárních článků a tím i do solárních panelů. Identifikace těchto defektů vyžaduje účinné a laciné testovací a měřící metody pro charakterizaci vlastností PV článků a jejich elektronické struktuře. PV článek je modelován jako ideální dioda s paralelně připojeným zdrojem fotoproudu plus parazitní rezistory paralelní shunt rezistor RSH a seriový rezistor RS viz. Obr.1. Obr.1. Náhradní obvod PV článku. Konverzní účinnost PV článku je omezena rekombinací volných nosičů náboje způsobenou objemovými defekty materálů těchto PV článků. Tyto defekty mohou být typu krystalických nedokonalostí, jako jsou dislokace, u multikrystalických PV článků navíc hranice jednotlivých zrn, a dále typu vestavěných nečistot. Nízké hodnoty rezistoru RSH ( tedy vysoké svodové vodivosti) mohou být dány: - Nesprávným zacházením s PV články během zpracování - Členěním článků diamantovou pilou - Vysokou teplotou během metalizace povrchů PV článků - Špatnou technologií izolací hran PV článků Vysoké hodnoty rezistoru RS mohou být dány: - Zvýšený odpor vývodních kontaktů - Zvýšený odpor bus-bar proužků - Zvýšený odpor tištěných prstů (fingers) - Zvýšený laterální odpor v emitoru
Příspěvek každého výše uvedeného zdroje poruch PV článků závisí na velikosti protékajícího proudu PV článkem. Pro stanovení druhu a místa poruch v FV článcích a určení jejich rozsahu se používá řada měřících metod a to zejména měření odporu (charakterizuje výchozí materiál), měření I-V a C-V charakteristik vyrobených PV článků, nábojové charakteristiky/ proudové hustoty, dobu života rekombinovaných volných nositelů, objemovou dobu života nositelů náboje a efektívní dobu života. Tyto metody jsou však obvykle složité a vyžadují dlouhý čas pro změření a vyhodnocení. Dále vyžadují drahá měřící a testovací zařízení. Existují tři hlavní testovací technologie: spektroskopie, elektrické (kontaktní) měření a infračervené zobrazovací metody. Obvykle se používají kombinace těchto metod. Měření I-V, C-V charakteristik a měření odporových profilů vyžadují testovací metody vrstev a měření jejich tlouštěk. Dále vyžadují optické a kapacitní měření. Některé metody jsou časově náročné na přípravy vzorků. Současné kamery pro světlo ve viditelné oblasti nejsou efektívní pro odhalení defektů, ale poskytují užitečné referenční body pro infračervené zobrazení. Současné infračervené kamery jsou velmi vhodné, protože kombinují termografické zobrazení s viditelným zobrazením. Elektroluminiscenční metoda (dále EL) se používá pro generování prostorových obrazů solárních článků se zobrazením umístění zkratů, seriových rezistorů a ploch kde rekombinují nositelé náboje. EL používá napájecí napětí v předním směru a takovou velikost proudu aby vyvolal lokalizované záření způsobené rekombinací nositelů náboje. V EL emituje tekoucí proud PV článkem světlo s vlnovou délkou v blízké infračervené oblasti NIR. Výsledný termografický obraz poskytuje vizuální reprezentaci homogenity PV článku. Při aplikaci EL metody se musí věnovat pozornost velikosti proudu aby nedocházelo k destrukci článku. Jelikož EL metoda pracuje pouze v NIR oblasti, je lepší použití kamery s chlazeným NIR detektorem. Typické parametry solárních článků zahrnují zkratový proud Isc, napětí naprázdno Voc, fill faktor FF, seriový odpor Rs při Voc, shunt odpor Rsh při 0 V a zpětné průrazné napětí Ubr. FF se obvykle určuje z I-V charakteristik.
Konverzní účinnost solárního článku je hlavně funkcí Isc, Voc a FF. Často bývá rozložení proudové hustoty v solárním článku nehomogenní. Jestliže je proudová hustota v určité oblasti solárního článku vyšší než je průměrná hodnota je to způsobeno shunt rezistorem. Je tedy hledání shunt rezistorů důležité pro zvyšování konverzní účinnosti solárních článků. Parazitní seriový rezistor Rs zhoršuje FF a tím konverzní účinnost. Je možné jej určit ze sítě I-V charakteristik měřených ve tmě. Testovací metodika: Elektroluminiscenční metoda ELCD Tato metoda umožňuje detekci resp. zviditelnění materiálových a výrobních vad solárního článku. S její pomocí lze vyhodnotit jak kvalitu výrobního procesu článků, tak i případné defekty (především mikropraskliny) vzniklé při pozdější manipulaci s články resp. celými fotovoltaickými panely. Je založena na vybuzení světelného záření při průchodu proudu polovodičovým přechodem v propustném směru. Toto záření s maximem energie v blízké infračervené oblasti je snímáno CCD kamerou. Obraz z kamery je softwarově zpracován, tak aby byly vady zobrazeny s co největším kontrastem. Tato metoda je schopna detekovat vady, jinými metodami nezjistitelné. Z hlediska dlouhodobé stability parametrů panelů jsou největším problémem mikropraskliny v křemíkových krystalech. Tyto praskliny mohou vzniknout buď technologicky (vnitřním pnutím v materiálu v oblasti pájení sběracího pásku - busbar) nebo při vystavení článku resp. celého panelu mechanickému namáhání. Při běžných testech (flash test) jsou prakticky neodhalitelné, protože alespoň zpočátku nemají přímý vliv na výkonové vlastnosti článků. ELCD metoda se dá použít i pro obecnou charakterizaci výrobní kvality jednotlivých článků panelu, resp. jejich výrobních vad, protože je schopna zviditelnit lokálně odtrženou sběrací pásku, mikroskopicky přerušené sítotiskově nanášené Ag proužky (fingers), nehomogenitu vzniklou při výrobě krystalu a další. Tyto vady by však neměly mít (na rozdíl od mikroprasklin) vliv na dlouhodobou stabilitu výkonnostních parametrů panelů, změřených např. klasickým flash testem - pouze dokumentují kvalitu článků, resp. procesu jejich výroby. I popraskaný článek emituje světlo homogenně téměř z celé své plochy, což nepřímo znamená, že jeho fotovoltaický výkon je nezměněný oproti nominálnímu. Je to způsobeno tím, že se jednotlivé úlomky křemíkového krystalu dotýkají a náboj tak mezi nimi může volně přecházet. V důsledku střídání nízkých a vysokých teplot během provozu panelu a rozdílných roztažností křemíku a okolního materiálu však časem může dojít k zvětšení jednotlivých prasklin a k vytvoření bariér pro průchod náboje. Výsledkem je dramatické snížení účinnosti
celého článku a tím i snížení výkonu celého panelu, který může být de facto úplně znehodnocen. Obr.1. Příklad zobrazených defektů ELCD metodou Měření elektrických parametrů Flash Test Toto zařízení je vyvinuto pro účely testování a měření PV panelů. Zařízení je zkonstruováno pro ELCD test jako místnost o rozměrech 3,5 x 2.5 x 2m, pro Flash test místnost 2,5 x 2,5 x 2,0 m. Záblesková hlava generuje ze vzdálenosti 2,5m velmi intenzivní záblesk, který je po dobu měření regulován na konstantní intenzitu. Homogenita světla a dosažení správného spektra je dosaženo pomocí soustavy clon. Používá se xenonová výbojka, která má světlo nejbližší slunečnímu a vyhovuje podmínce AM=1,5. Světelný výkon 1000 W/m2 i spektrum světla je kontrolován. Případné odchylky v budoucnosti budou řešeny výměnou výbojky na základě sledovaných motohodin činnosti. Vkládání měřených panelů je zajištěno ručně operátorem. Celý systém řídí počítač, změřená data je možno ukládat do databáze. Software umožňuje automatické generování podrobných měřících protokolů. Každý panel je možno identifikovat štítkem s čárovým kódem, který je možno systémem automaticky číst.
V následující tabulce je ukázán výstup Flash Testu.
Termografické zobrazení Teplo vyvíjené solárním PV článkem je zachycováno termografickou kamerou. Teplotní nepravidelnosti uvnitř PV článku ve sledovaném PV modulu jsou způsobeny defekty uvnitř PV článku. Thermografickou kamerou je možné vidět : praskliny vyšší teplota vlivem vyššího přechodového odporu oddělené plochy chladnější, už neprotékané proudem a tedy nevyrábějící plochy ještě spojené s okolím několika sběrnicemi (teplejší než úplně oddělené plochy) ještě vyrábějí, ale vlivem vysokého přechodového odporu do okolí dodávají menší proud ( napětí je stejné jako u zdravých částí) Termografická kamera převádí obrazy z infračerveného spektra do viditelného spektra. Měřítkem oteplení je zobrazená barva. Každá barva koresponduje s určitou teplotou. Známe-li tuto teplotně/barevnou stupnici, je možné určit i teploty uvnitř PV článku. Vlastní ohřev PV článků vzniká průchodem elektrického proudu o vhodné velikosti v předním směru. Příklad termografického obrazu části PV článku je na následujícím obrázku. Lze detekovat defekty nejen v PV článcích, ale i v bypass diodách, přípojných boxech, stejně tak i vady mechanické jako je delaminace a pod. Termografie odhaluje elektrické, instalační a výrobní chyby a defekty.
Provedení MOBIL SOLAR SERVICE TEST LAB
Hodnocení metodiky testování PV modulů pomocí MOBIL SOLAR SERVICE TEST LAB ELCD metoda je kvalitatívní metodou. Její pomocí lze nalézt vady materiálu PV článku a odhadnout možnost destrukce takového PV článku během provozu PVE. Takový defekt však může vyřadit celý PV modul z činnosti a tím vyřadit i celý PV string z činnosti a tím snižovat značnou měrou výkon celé PVE. Zařazením Flash Testu do metod testování PV modulů se rozšiřují možnosti testování. Je možný kvantitatívní výstup. Lze odhalit vznik defektů, které vznikly z microcracků během provozu PVE a snižují tak konverzní účinnost PV modulů. Doplněním testovacích metod o termografické sledování lze potvrdit výsledky získané ELCD metodou a Flash Testem. Závěrem je možné konstatovat, že použitá metodika testování PV modulů není nová. Je obecně používaná a světově uznávaná. Používá jí celá řada renomovaných světových firem vyrábějící PV články a PV moduly. Novum spočívá ve spojení metod testování PV modulů do jednoho celku a jejich umístění do mobilního prostředí. Tím je umožněno přemístit tuto mobilní laboratoř do místa výstavby PVE a provádět testování PV modulů přímo na místě této PVE. Odpadá tak zdlouhavé a nákladné přemísťování PV modulů do testovací laboratoře v kamenné budově. Firma SOLAR SERVICE, s.r.o. dává finančním a pojišťovacím ústavům nástroj pro zjišťování vstupní kvality PV komponentů a tím možnost snižování rizik způsobených nekvalitními PV produkty. Současně dává investorovi jistotu o správně uložených prostředcích. V případě řešení pojistných událostí má pojišťovací ústav nástroj pro řešení těchto událostí. Neopominutelný je i možnost využití výstupů této metodiky soudními znalci a soudy při řešení složitých případů reklamací funkčnosti PVE. Metodika testování vad PV modulů aplikovaná v MOBIL SOLAR SERVICE TEST LAB je vyhovující a lze ji doporučit k použití. V Prostřední Bečvě, dne 10.7.2010 Ing. Milan Tomeš, CSc. Soudní znalec Energetika - OZE