Microcracks og hotspots i c-Si solcelle paneler, produktions fejl eller skader der kan opstå senere ?

Forfatter:Karl Andreassen, Senior Advisor i fornybar energi, specialiseret i solceller og kuldebros frie konstruktioner med 20 års erfaring på området ikke kun teoretisk, men også fra det praktiske liv fra talrige projekter både inden for alle typer solceller og passivhus byggeri.”hands on” erfaringer fra det virkelige liv er vigtige og grundlaget for denne korte gennemgang af emnet microcracks og hotspots.Dette er et forsøg på at fremme forståelsen af et ellers overset emne som først inden for de sidste par år er aktualiseret gennem ny forskning.Emnet bliver behandlet så visuelt som muligt og understøttes af relevante rapporter på området. Dette er ikke en videnskabelig gennemgang, men en let indføring i emnet.

Microcracks kendes kun i warfer baserede produkter , det som i daglig tale kaldes krystalinske solceller ( c-Si )

Produksjonsprosessen for tradisjonelle krystallinske solceller av silisium starter med kvarts som renses til såkalt solcellekvalitet (eng. SOG-Si), dvs. Si>99,9999% . Dette materiale skæres i tynde skiver, benævnt warfers som har en tykkelse på ca. 0,02 cm som placeres mellem en glas forside ( typisk 3-4 mm tyk ) og en tedlar (plastprodukt) bagside.

For 20 år siden da jeg som entusiast sad ved mit eget køkkenbord og lodede mine første warfere sammen for at få en lille pære til at lyse, var tykkelsen på en warfer ca 4 gange så stor, moderne produktionsmetoder haar fået tykkelsen ned og dermed også råstofforbruget. Dette har sammen med andre tiltag resulteret i langt billigere solceller, men det har også gjort warferne meget mere sårbare. I de seneste år er der kommet meget mere fokus på de skader som en warfer kan risikere at få ved transport, og belastninger som tryk af forskellig art. Det er relativ ny forskning som viser at problemerne er større end først antaget og man er efter de senere års store udbygning af solceller på verdensplan, hovedsageligt med c-Si paneler blevet mere opmærksomme på både det tab i effektivitet som det forårsager og de potentielle følgeskader det kan medføre.

ISFH (Institute for Solar Energy Research Hamelin) og TÜV Rheinland har udført flere tests som med tryksensorer i paller på lastbiler og belastnings tests som viser en klar sammenhæng mellem transport og antallet af microcracks, men også mellem belastninger på panelerne fra tryk og sug over tid efter disse er monteret på bygningerne.

Snølast eller andre store påvirkninger som stærk vind kan bøye den tynne top glass ned og dette har typisk størst innvirkning

langs kantene

Billeder fra eget test lab i DK

Microcracks kan opstå som trykskader.

Celle fri for skader Produktionsfejl Produktionsfejl Skade fra last på glas

Transport skade Last skade Fejl fra produktion Typisk tryk skade

Microcracks kan normalt kun opdages ved røntgen fotografering, da det er micro størrelser, så kan man ikke med det menneskelige øje se disse skader. Alle seriøse producenter røngentfotograferer hvert enkelt panel der går ud fra deres produktion og kan dokumenterer microcrack frie paneler, når de går ud af fabriks porten, men det siger intet om hvordan panelerne har det efter transporten, typisk fra Asien og frem til et tag i Skandinavien.

Hvad der sker på taget i forbindelse med montage og ved senere belastninger fra vejret er en helt anden ting og kan kun kontrolleres ved en løbende kontrol ved brug af termografi kameraer.

Hvad er så problemet med microcracks. Helt små microcracks er i hovedregel ikke problematiske og mange er helt naturlige som resultat af spændinger i materialet, disse vil ikke have nogen betydning, allerhøjest en mindre nedgang i panelets effektivitet. Der hvor problemerne opstår er når revnerne er lidt større, og her skal man huske at vi taler om revner som ikke er synlige for det menneskelige øje.Det der sker i warferen er at elektronerne forsøger at hoppe over revnen og dermed sker der en svejseproces. Denne proces udvikler varme og derfor kan denne type revner opdages med termografi fotografering af panelerne.Populært sagt, jo større revne, jo større hop for elektronerne og jo større varmeudvikling.Noget som har ændret sig med tiden er at inverterne som omdanner DC fra panelerne til AC som går videre til elnettet, med tiden har fået MPP trackere. Disse sørger for en optimal udnyttelse af DC strømmen ved at presse panelerne til optimal ydelse. En kæmpe fordel for produktionen, men ekstra hårdt for en warfer med et microcrack.MPP trackeren gør altså svejseprocessen større.

Fokus på warfers med micro revner er blevet større efter fremkomsten af små droner med termografi kameraer.På billerne nedenfor ses en stor solcellepark som efter en overflyvning er kommet under nærmere inspektion.Sådanne resultater har naturligt sat fokus på problemet og ligeledes øget forskningen i de sidste par år.

Efter det øgede fokus på microcracks er flere og flere private og ejere af mindre solcelle anlæg begyndt at få deres anlæg kontroleret. Ikke mindst i Tyskland som jo er verdens største solcelle land målt på installeret Wp er der kommet gang i en mere systematisk kontrol.Skal man så være ovenud bekymret for disse revner. Nej ikke umiddelbart, men det er vigtigt at følge med i udviklingen inde i de installerede paneler. Som det kan ses på nedenstående termograferinger, så er graden af revnernes størrelse synlig på billederne.Små revner som kun har en mindre betydning for strømproduktionen lyser ikke så klart op som de warfere der er begyndt at blive ”kriminelle” og har potentiale til at udvikle et hotspot.Hvis der er udsigt til at revnen kan udvikle sig til et hotspot skal der reageres og panelet skal udskiftes før det udvikler sig til noget som kunne blive til en brand.Næste side omhandler hotspots.

Nedenfor vises eksempler på warfer der har hotspot potientiale og den gradsforskel som warfere kan have i revne størrelse. Læg mærke til at termograferingen foregår med en let vinkling, der er min og andres erfaring at man får de bedste resultater ved et termograferings vinkel på 15-20 grader i forhold til panelet.

Når først revnen i warferen er blevet stor nok og ”svejsningen” har foregået over tid nok, så begynder tedlar bagsiden af panelet at give efter for varmen, som kan blive ganske intens.Uovervåget foregår denne nedbrydning dag efter dag, for til sidst at bryde igennem bagsiden. Illustreret her er forskellige stadier af hotspots.Nederst ses resultatet hvis der har lagt sig blade, kviste eller andet brændbart på bagsiden af panelerne, feks. en fuglerede. Det er naturligvis i ekstremerne, men det er set forekomme i flere tilfælde.Med den nye viden på området vil anbefalingen være at få kontrolleret solcelle anlæg af typen c-Si med jævne mellemrum og visuelt kontrollere at der ikke sker ophobning bag panelerne.

Har man c-Si paneler monteret er anbefalingen at få disse efterset med faste intervaller. Hvis man ved første inspektion ser tegn på begyndende skader, bør det følges nøje feks. en gang om året. Ser panelerne ikke ud til at have tegn til problemer, er det anbafalings værdigt at få kontrolleret panelerne hver 2. – 3. år.

Der findes overvågnings muligheder som er automatiske og som overvåger alle typer DC fejl. Her fås de såkaldte ADU moduler som kan monteres på DC kablerne som kommer fra panelerne frem til inverteren.Disse vil afgive en akustisk alarm i tilfælde af ”støj på kablet” altså hvis der er optræk til en svejsning proces et sted i systemet.Disse vil også opdage hvis der er skader på kabler eller stik.

ADU modulet kan ligeledes slå Fire Switchen fra automatisk.

En automatisk fire switch på DC siden af et solcelle anlæg bør altid være installeret. Når DC stømmen brydes tæt på solcellerne er skaden standset før den udvikler sig katastrofalt, men er også en sikkerhed for brandfolk som skal arbejde på en bygning med solceller, således at der ikke er ”levende” DC kabler at forholde sig til under et evt. slukningsarbejde.

Et naturligt spørgsmål som ofte bliver stillet, er om micro revner også opstår i tyndfilmsmoduler som feks. CIGS teknologien.

Her er svaret nej. Det er en fuldstændig anden måde at fabrikere solceller på som er en deponering af 4 grundstoffer på en bagside af typisk 3 mm hærdet glas.Selve påføringen af de 4 grundstoffer sker med laser og brændes som sådan fast på glas bagsiden.Herefter monteres front glasset ligeledes af hærdet glas.

Skal et hotspot opstå i denne type paneler vil det kræve en direkte fysisk påvirkning som efterlader sig et visuelt synligt hul i glasset. Da bagsiden er af glas og dermed ikke kan smelte som tedlar på c-Si moduler er der ingen fare for påvirkning af det ydre miljø.

Baggrunds materiale for denne gennemgang foruden ved personlig erfaringer:

1. CRACK STATISTIC OF CRYSTALLINE SILICON PHOTOVOLTAIC MODULESM. Köntges1, S. Kajari-Schröder1, I. Kunze1, U. Jahn21Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH), Am Ohrberg 1, D-31860 Emmerthal, Germany

2.Passive and ActiveThermographic Assessment as a Tool for Condition-BasedPerformance Monitoring ofPhotovoltaic ModulesDepartment of Production Engineering and Management,School of Engineering,Faculty of Materials, Processes andEngineering,Democritus University of Thrace,Vas. Sofias 12, Central University Campus,Building I,Xanthi 67100, Thrace, Greece

3.Origin and Consequences of (Micro)-Cracks in Crystalline Silicon Solar modulesM. Köntges, I. Kunze, S. Kajari-SchröderInstitute for Solar Energy Research Hamelin

4. DEALING IN PRACTICE WITH HOT-SPOTSR. Moretón, E. Lorenzo, J. Leloux, J.M. Carrillo Instituto de Energía Solar – Universidad Politécnica de Madrid, Photovoltaic Systems Group, EUITT, Madrid, Spain WebPV, Madrid Spain

5.Solar Cell Microcracks Are InevitableKent Kernahan, Peter Curzon, Marc StewartidealPV FOZHS

Alt materiale kan rekvireres og tilsendes elektronisk ved henvendelse til :

Karl Andreassen ka@back2green.dk Tlf: +45 61414020