Nachricht

Jun 17, 2023

Analyse des Leistungsabfalls von PV-Modulen

Solarenergie ist eine saubere und umweltfreundliche Energiequelle. Es kann auch dazu beitragen, den globalen CO2-Fußabdruck zu verringern und die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Aufgrund des Positiven

Solarenergie ist eine saubere und umweltfreundliche Energiequelle. Es kann auch dazu beitragen, den globalen CO2-Fußabdruck zu verringern und die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Aufgrund der positiven Aspekte der Solarenergie wächst ihr Bedarf exponentiell.

Photovoltaik (PV)-Module sind zweifellos die wichtigste Komponente einer Solarstromanlage. Dank technologischer Fortschritte sind mittlerweile PV-Module verschiedener Technologien auf dem Markt erhältlich. Polykristallines Silizium (Poly-Si), monokristallines Silizium (Mono-Si), Dünnfilm- und Mono-PERC-Module (passivierter Emitter und Rückkontakt) gehören zu den am häufigsten verwendeten Modulen. Dennoch werden kontinuierlich Forschungs- und Entwicklungsarbeiten (F&E) durchgeführt, um die Effizienz verschiedener Technologien zu verbessern, wie z. B. Mono-PERT (Passivated Emitter Rear Total Diffusion), Heterojunction (HJT), Quantenpunkt, Perowskit und mehr.

Um die Leistung einer Anlage mit ihren optimalen Stromgestehungskosten (LCOE) aufrechtzuerhalten und eine maximale Kapitalrendite (ROI) daraus zu erzielen, sind der Zustand eines PV-Moduls und seine regelmäßige Überprüfung in festgelegten Abständen von größter Bedeutung. Es ist zu beachten, dass PV-Module sehr empfindlich und daher anfällig für Defekte sind. Schon ein Bruch von wenigen Millimetern in einem PV-Modul kann mit der Zeit zu einem drastischen Leistungsabfall führen.

Dieser Artikel behandelt umfassend die Degradationsanalyse von PV-Modulen. Es befasst sich mit Faktoren, die die Leistungsverschlechterung von PV-Modulen beeinflussen, wozu sowohl inhärente als auch anthropogene Faktoren gehören.

Der Artikel richtet sich an Eigentümer von Solaranlagen und Branchenexperten im Solarbereich. Es erklärt Verhaltensregeln für den Umgang mit PV-Modulen, sei es bei der Installation, dem Betrieb oder der Wartung einer Solaranlage. Durch die Einhaltung einiger grundlegender Vorgehensweisen, wie im Artikel erläutert, können Defekte an einem PV-Modul minimiert und somit die Leistung von PV-Modulen verbessert werden.

Abschließend wurde die Durchführung einiger Diagnosetests an Solar-PV-Modulen gemäß den geltenden Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) empfohlen. Diese Diagnosetests helfen dabei, den Zustand von PV-Modulen zu verstehen und etwaige plötzliche Verschlechterungen/Defekte frühzeitig zu erkennen. Die Ergebnisse in diesem Artikel basieren auf den Testerfahrungen von Mahindra Teqo mit mehr als 7 GW Solaranlagen in ganz Indien (siehe Seitenleiste) und im Ausland.

Zum 30. Juni 2023 betrug die installierte Solarkapazität in Indien 70.096,83 MW, was etwa 16,1 % der gesamten installierten Erzeugungskapazität in Indien ausmacht, die sowohl Kraftwerke auf Basis fossiler als auch nicht fossiler Brennstoffe umfasst (Tabelle 1).

Da Indien die Vision einer „grünen Umwelt und sauberer Energie“ stark vorantreibt, gab die Central Electricity Authority (CEA) an, dass die Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen bereits im Jahr 2029 auf 44 % steigen könnte. CEA hat außerdem geschätzt, dass bis 2029 oder 2030 könnte Indiens Solarkapazität die thermische Erzeugungskapazität des Landes übertreffen.

Es wird erwartet, dass ein typisches PV-Modul im ersten Betriebsjahr um 2 bis 3 % abnimmt und ab dem zweiten Betriebsjahr um 0,5 bis 0,7 %. Eine stärkere Degradation im ersten Betriebsjahr ist auf die lichtinduzierte Degradation (LID) zurückzuführen.

Das Vorhandensein eines fehlerhaften Bor-Sauerstoff-Komplexes im Wafer, der bei der Herstellung von PV-Zellen verwendet wird, ist der Hauptgrund für LID. Betroffen sind Siliziumwafer, die im Czochralski-Verfahren hergestellt werden. Nach einigen Stunden Betrieb des PV-Moduls im Sonnenlicht kommt es zu einer Leistungsstabilisierung, sodass ab dem zweiten Betriebsjahr eine geringere garantierte Verschlechterungsrate zu beobachten ist.

Die meisten Modulhersteller gewähren eine lineare Leistungsgarantie für 25 Betriebsjahre. Heutzutage gibt es jedoch immer mehr Modulhersteller, die 30 Jahre Leistungsgarantie auf ihre Module anbieten (Abbildung 1). Aus anthropogenen Gründen kann es jedoch zu einem beschleunigten Abbau eines PV-Moduls kommen. Module aus N-Typ-Substrat weisen im Vergleich zu Modulen vom P-Typ eine geringere Leistungsverschlechterung auf.

Defekte an einem typischen PV-Modul lassen sich grob in drei Kategorien einteilen:

Die Badewannenkurve (Abbildung 2) zeigt die Ausfallwahrscheinlichkeit über die Lebensdauer eines PV-Moduls.

Säuglingsfehler. Säuglingsdefekte werden oft auf schlechte Konstruktions- oder Herstellungsfehler zurückgeführt. Diese können durch eine effektive Prozesskontrolle reduziert werden. Allerdings ist, wie bereits erwähnt, die Degradationsrate eines PV-Moduls in den ersten Betriebsjahren aufgrund des stärkeren Einflusses des LID tendenziell etwas höher als im Rest der Betriebslebensdauer. Auch die potenzialinduzierte Degradation (PID) kann die Degradationsrate in den ersten Betriebsjahren beeinflussen, allerdings in geringerem Maße unter normalen Umständen.

Im Allgemeinen werden in den ersten Betriebsjahren Glasbruch, Kontaktfehler in Anschlussdosen, lose Rahmen und einige andere Mängel beobachtet. Bei einem typischen Solarmodul treten innerhalb von ein bis zwei Jahren nach dem Betrieb kleine Defekte auf.

Mid-Life-Defekte. Mid-Life-Defekte sind häufig zufällige Defekte oder Defekte, die auf technische Mängel zurückzuführen sind. Stärkere PID, Diodenausfall, Zellverbindungsbruch und Glasverfall sind einige der häufigsten Defekte in der Lebensmitte.

Verschleißfehler. Verschleißdefekte treten auf, wenn sich die Lebensdauer eines PV-Moduls dem Ende nähert oder wenn die Leistungsabgabe eines PV-Moduls unter 70–80 % seines Nennwertes fällt. Verfärbungen von Ethylenvinylacetat (EVA)-Folien, Verfärbungen von PV-Zellen und Delaminierung sind die häufigsten Verschleißfehler (Tabelle 2). Verschleißmängel sollten idealerweise erst nach Ablauf der Garantiezeit auftreten.

Im Großen und Ganzen gibt es zwei Faktoren, die die Leistung von PV-Modulen beeinträchtigen und zu deren Verschlechterung beitragen können. Dies sind inhärente Faktoren und anthropogene Faktoren.

Durch thermische Zyklen verursachter Abbau. Wenn ein bestimmtes PV-Modul unter verschiedenen klimatischen Bedingungen unterschiedlichen Temperaturgradienten ausgesetzt ist, kann es zu einer Verschlechterung seiner Leistung kommen. Dies liegt an den unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der bei der Herstellung eines PV-Moduls verwendeten Materialien. Zellunterbrechungen, Defekte an Lötstellen und Verfärbungen des Vergussmaterials sind die häufigsten Defekte, die durch thermische Zyklen entstehen. Die Verwendung von Klebstoffen und Grundierungen mit höherer Stabilität gegenüber unterschiedlichen thermischen Bedingungen, der Einsatz automatisierter Lötmaschinen, das Testen von PV-Modulen gemäß IEC 61215 zur Identifizierung von Modulen, die bei thermischen Zyklen zu einer Verschlechterung neigen, und die Verwendung von Materialien mit höherer thermischer Stabilität können Optionen sein, die von Original eingesetzt werden Wir fordern die Gerätehersteller auf, diese Art der Verschlechterung abzumildern. Zu den Methoden, die bei PV-Anlagen empfohlen werden, gehören die Einhaltung ordnungsgemäßer Reinigungszyklen, die Vermeidung von Schattenbildung an PV-Modulen und die Optimierung der elektrischen Anschlüsse.

Ultraviolett-induzierter Abbau (UVID). Die Leistung von PV-Modulen wird durch UV-Licht aufgrund der Entstehung von Oberflächendefekten beeinträchtigt. Jüngste Studien zeigen, dass neue, leistungsstärkere Zelltechnologien wie p-PERC- und n-PERT-Zellen anfälliger für eine Verschlechterung durch UV-Licht sind.

Leistungsabfall aufgrund der Verschlechterung der Antireflexbeschichtung (ARC). ARC wird häufig verwendet, um die Lichtdurchlässigkeit durch ein PV-Modul zu erhöhen. Am häufigsten wird ARC verwendet, eine dünne Schicht poröser Kieselsäure, die durch chemische Prozesse auf der Oberfläche des PV-Moduls abgeschieden wird. Eine ARC-Schicht mit einer Dicke von etwa 100 Nanometern (nm) bis 120 nm kann die Leistungsabgabe um 2 bis 3 % steigern (Abbildung 3). Wenn jedoch das Alter eines PV-Moduls fortschreitet und die Dicke der ARC-Schicht zerkratzt oder verringert wird, kann dies dazu führen, dass PV-Module einen Leistungsabfall aufweisen, der höher ist als erwartet.

Leistungsabfall aufgrund von LID und LeTID (Licht- und erhöhte Temperaturinduzierte Degradation). Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei LID um einen Leistungsverlust von PV-Modulen, der auftritt, wenn PV-Module zum ersten Mal dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Andererseits erklärt LeTID den Leistungsverlust von PV-Modulen nach Hunderten von Stunden Sonneneinstrahlung bei einer Betriebstemperatur von mehr als 65 Grad Celsius.

Leistungsabfall aufgrund der Verschlechterung der EVA-Folie. Die EVA-Folie verhindert, dass Luft und Feuchtigkeit in die PV-Zellen gelangen, und beugt so einer späteren Verschlechterung vor. Bei längerer UV-Einstrahlung und widrigen Witterungsbedingungen zersetzt sich EVA jedoch in Essigsäure, wodurch EVA-Platten gelb werden. Die Farbänderung der EVA-Folie verändert hauptsächlich die Parameter des Kurzschlussstroms (Isc) und des Serienwiderstands (Rs) des PV-Moduls, was wiederum die Leistungsabgabe verringert.

Falsche Praktiken während des EPC. Unsachgemäße Auswahl und Verwendung von Klemmen (Abbildung 4) und zu starkes Anziehen von Befestigungselementen (Abbildung 5) sind die häufigsten Probleme während der Planungs-, Beschaffungs- und Konstruktionsphase (EPC). Tatsächlich sind diese beiden Faktoren für die meisten Glasbrüche von PV-Modulen verantwortlich. Darüber hinaus werden diese Faktoren bei rahmenlosen Modulen noch gefährlicher. Glasbruch kann erheblich zur Leistungsminderung von PV-Modulen beitragen, wenn er nicht rechtzeitig behoben wird.

Falsche Betriebs- und Wartungspraktiken. Falsche Standortpraktiken und die Nichtbeachtung der empfohlenen Reinigungszyklen bei PV-Anlagen tragen zu einer Leistungsminderung der PV-Module bei. Diese beiden Faktoren können zur Bildung von Hot Spots und damit zur Überhitzung von PV-Modulen führen.

Wie erläutert, sind Solar-PV-Module sehr empfindlich und sehr anfällig für Defekte. Die meisten dieser Defekte sind mit bloßem Auge nicht erkennbar. Daher wird von Solaranlagenbesitzern jährlich oder zumindest alle zwei Jahre eine routinemäßige Gesundheitsprüfung von PV-Modulen durch hochentwickelte Geräte und erfahrene Ingenieure empfohlen. Einige der empfohlenen Diagnosetests, die an Solar-PV-Modulen einer in Betrieb befindlichen Solaranlage durchgeführt werden sollten, sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Solarenergie gilt als eine der vielseitigsten und am leichtesten verfügbaren Energiequellen. In den letzten Jahrzehnten bot es eine hervorragende Investitionsmöglichkeit für Unternehmen.

PV-Module, der wichtigste Teil von Solarstromerzeugungssystemen, sind relativ wartungsarm. Allerdings ist, wie gesagt, nichts narrensicher, daher kann es zwangsläufig zu Problemen mit PV-Modulen kommen. Aber das Beste daran ist, dass Mängel leicht erkannt werden können, wenn man die Funktionsweise eines Sonnensystems beobachtet.

Die ordnungsgemäße Wartung von PV-Modulen, die Einhaltung der richtigen Verhaltensregeln und die Durchführung routinemäßiger Diagnosetests mit ordnungsgemäßer Analyse der Testergebnisse können den Eigentümern nicht nur dabei helfen, die Ausfälle von PV-Modulen zu minimieren, sondern auch die Betriebslebensdauer der PV-Module verlängern Module. In einigen Fällen wurde beobachtet, dass sich die Lebensdauer von PV-Modulen erheblich verlängert, wenn gut auf die Gesundheit der PV-Module geachtet wird.

—Satish Pandeyist Leiter Analytics und Advisory,Sumit Kumarist leitender Ingenieur,Rakshita Mhatreist leitender Ingenieur undTushar Singh ist Prüfingenieur, alle bei Mahindra Teqo Pvt. GmbH.

Teile diesen Artikel

Weitere Solarnachrichten

Die Kombination von konzentrierender Solarenergie (CSP) mit thermischer Energiespeicherung verspricht eine Erhöhung der Netzflexibilität durch die Bereitstellung fester…

Die Wachstumskurve der Solarenergie setzt ihren Aufwärtstrend fort, dank Technologien wie Perowskiten, Heterojunction-Solarsystemen …

Ein Anstieg der Installation großer Solar-Photovoltaik-Systeme (PV) auf der ganzen Welt hat die Bedeutung unterstrichen…

Die Erzeugung erneuerbarer Energien wird üblicherweise als umweltfreundlicher als fossile Brennstoffe bezeichnet, und das stimmt in vielerlei Hinsicht.…