Así es, tu módulo fotovoltaico debe operar 25 años

El factor clave para reducir los costos de los sistemas fotovoltaicos es aumentar la fiabilidad y la vida útil de los módulos

 

Por Juan Roberto Jiménez

Como segunda parte de esta entrega sobre módulos fotovoltaicos nos enfocaremos en conocer las fallas que se pueden presentar en un módulo fotovoltaico durante toda su vida útil, la cual debería ser de 25 años aunque existen en el mercado módulos que alcanzan una vida útil de 30 años. Dentro de estas fallas se deben distinguir las que son responsabilidad del fabricante, del instalador y las causadas por fenómenos meteorológicos, como las descargas atmosféricas. Actualmente, las estadísticas muestran las tasas de degradación de la potencia de los módulos en un 0,8% anual (cuántos watts dejará de producir el módulo durante su vida útil). El factor clave para reducir los costos de los sistemas fotovoltaicos es aumentar la fiabilidad y la vida útil de los módulos, de ahí la importancia de que cumplan con todas las normativas existentes a nivel nacional e internacional que certifican su desempeño y que mencionamos en la entrega anterior.

Una “célula” se define como la pieza más pequeña de semiconductor, que tiene un voltaje asociado con una sola unión. En un módulo de silicio policristalino o monocristalino, cada célula consta de una sola pieza de silicio. En un módulo de película delgada (thin film), el material semiconductor se deposita sobre un área grande, con células definidas por trazado a través del material para producir regiones eléctricamente aisladas. Una “cadena” de células representa un conjunto de células, normalmente 10 o 12 células en un módulo basado en oblea o aproximadamente 60-102 células en un módulo de película delgada, que están conectadas eléctricamente en serie. Dos o más cadenas de celdas a veces están conectadas en paralelo con un diodo de bypass, creando un “submódulo” eléctricamente independiente, cuya función está aislada de cualquier célula o cadena que no esté en el submódulo.

Las fallas de los módulos fotovoltaicos construidos con celdas policristalinas o monocristalinas se dividen en tres categorías: fallas tempranas, fallas en su vida media y fallas por desgaste.

Las fallas tempranas se producen al comienzo de la vida útil de un módulo fotovoltaico. Los módulos defectuosos fallan rápidamente y afectan dramáticamente los costos del fabricante y del instalador porque son responsables de estos fallos.

LID (light-induced degradation): El LID es un tipo de fallo que se produce al inicio de operación del módulo. La potencia nominal impresa se ajusta generalmente por la pérdida de potencia saturada normalizada esperada debido a este fallo. El LID no se define como falla, siempre y cuando la pérdida de potencia saturada sea igual o menor de lo esperado, y lo cual está indicado en la placa y en la ficha técnica del módulo.

Contact failure juntion box/ string interconnect: La caja de conexiones (JB) es el contenedor fijado en la parte posterior del módulo que protege la conexión de las cadenas celulares de los módulos a las terminales externas. En general, la caja de conexiones contiene los diodos de derivación para proteger las celdas de una cadena en caso de sombreado. Las fallas observadas en el campo son:

A) Mala fijación de la caja de empalmes a la hoja posterior. Algunos sistemas adhesivos son buenos para la tracción a corto plazo, pero pobres para la adhesión a largo plazo.

B) Cajas abiertas o mal cerradas debido al mal proceso de fabricación.

C) Ingreso de humedad que causa la corrosión de las conexiones y las interconexiones de hilo en la caja de empalmes.

D) Cableado defectuoso que provoca una formación de arco interno en la caja. Este fallo es particularmente peligroso porque el arco eléctrico puede iniciar el fuego.

Glass breakage: Uno de los inconvenientes del concepto de superestrato es que el vidrio delantero pasa por las diferentes etapas de procesamiento y por lo tanto el endurecimiento o templado está básicamente excluido. De hecho, el templado térmico necesita una temperatura inicial alta que sería perjudicial para las películas delgadas depositadas, seguido por un enfriamiento muy rápido del aire, que tampoco es compatible con el proceso de película delgada.

El templado térmico de un vidrio de 3,2 mm de espesor permite tener más de 100 MPa de esfuerzo de compresión en la superficie delantera sometida a impacto potencial, mientras que la misma superficie de vidrio recocido o ligeramente endurecido para la lámina delantera del módulo CdTe no excederá 1 a 5 MPa de esfuerzo de compresión. Por lo tanto, la rotura del vidrio delantero puede ocurrir en una menor tensión de impacto. Una vez que el vidrio se rompe, es muy fácil saber qué tipo de templado o endurecimiento fue inicialmente en el vidrio. Fragmentos de vidrio templado en pequeños trozos, todo sobre la hoja. El número de fragmentos por unidad de superficie (5x5cm²) es una buena indicación del nivel de templado o endurecimiento.

Una segunda razón para la rotura del vidrio proviene de las tensiones de impacto en el borde del vidrio. Este tipo de rotura es común para los módulos CdTe. Los módulos sin marco están más sujetos a roturas que los módulos enmarcados. Vale la pena mencionar que la diferenciación de ambos orígenes de rotura necesita poca experiencia en rotura de cristales, ya que la ubicación del impacto se puede encontrar fácilmente en el vidrio no templado, ya que la fragmentación no está ocurriendo.

Loose frame: En zonas donde se presentan nevadas, el módulo es expuesto a las cargas que provoca la nieve cuando se acumula en la parte inferior del módulo y se introduce en el espacio entre el borde del marco y la superficie superior de las celdas. El hielo formado por la compresión de las zonas inferiores de nieve empuja contra la punta expuesta del bastidor, llegando a provocar severos daños

Dentro de las fallas en su vida media se encuentran:

PID (potential induced degradation): Normalmente sólo una fracción de los módulos tiene pérdidas de potencia y sólo en cadenas con una polaridad de tensión distinta con respecto a tierra. Las pérdidas de potencia son más pronunciadas cuanto mayor sea el voltaje. El PID es en cierta medida un efecto de polarización reversible, para las células de tipo p y n, a potencial negativo y positivo, respectivamente. El efecto PID provoca derivaciones celulares.

Diode failure Además de la pérdida de potencia, el diodo evita la polarización inversa de las células solares más altas que el voltaje de polarización inversa de células permitido de las células solares. Si una célula se invierte con un voltaje más alto de lo que está diseñado para la célula puede evolucionar hotspots que puede causar quemaduras, marcas de quemaduras o, en el peor de los casos, el fuego. Normalmente, los diodos Schottky se utilizan como diodos de derivación en los módulos fotovoltaicos. Los diodos Schottky son muy susceptibles a descargas estáticas de alta tensión y tensión mecánica. Por lo tanto, deben ser manejados con cuidado y el contacto humano sin tierra debe ser evitado.

Cell interconnect breakage En los módulos fotovoltaicos convencionales interconectados, a veces encontramos cintas de interconexión de células o cuerdas debilitadas que propician las desconexiones de los buses, especialmente, la denominada deformación de la cinta entre las celdas y la unión entre la cinta de interconexión de células y la interconexión de cadenas, son ​​propensas a la rotura por fatiga. Puede haber varias causas posibles de este fallo del módulo: una mala soldadura en el proceso de producción del módulo, en la conexión entre la cinta de interconexión de la célula y la interconexión de la cadena, son las razones más importantes. Una deformación demasiado intensa durante la fabricación del doblez de la cinta entre las células debilita mecánicamente la cinta de interconexión celular. Una estrecha distancia entre las células favorece la ruptura de la cinta de interconexión celular. La tensión física durante el transporte del módulo fotovoltaico, el ciclo térmico y / o los puntos calientes mediante el sombreado parcial de la celda durante el funcionamiento a largo plazo del sistema fotovoltaico obliga a quebrar las cintas mecánicas débiles.

Las fallas por desgaste se producen al final de la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Determinan la vida útil máxima de un módulo fotovoltaico. La vida útil de un módulo fotovoltaico termina si se produce un problema de seguridad o la potencia del módulo fotovoltaico cae por debajo de un cierto nivel, que suele estar definido entre el 80% y el 70% de la potencia nominal inicial. Sin embargo, todas estas fallas conducen a una pérdida de potencia entre 0% y 20%, 10% en promedio.

Glass Anti-Reflexive Coating degradation El vidrio ARC ha estado disponible durante muchos años, pero la preocupación con respecto a la capacidad del revestimiento para mantener el rendimiento durante largos períodos ha frenado la adopción a gran escala de los módulos fotovoltaicos. Los progresos en la tecnología de revestimiento y el aumento del número de proveedores para recubrimientos duraderos y de alto rendimiento ha hecho posible que los fabricantes de módulos consideren el vidrio ARC como parte de sus productos.

Ethylene vinyl acetate EVA discoloring: Uno de los mecanismos de degradación más evidentes para los módulos fotovoltaicos es la decoloración del acetato de etileno-vinilo (EVA) u otros materiales de encapsulación. Este tipo de degradación se considera predominantemente como un problema estético. La decoloración puede llegar a ser evidente para un observador antes de que se pueda confirmar que disminuye la corriente del módulo (por lo tanto, la producción de potencia), pero se espera que la decoloración del EVA contribuya con <0,5% / a de la degradación de ~ 0,8% / a que normalmente se observa para módulos Si.

Delamination, La adhesión entre el vidrio, el encapsulante, las capas activas y las capas posteriores puede verse comprometida por muchas razones. La película delgada y otros tipos de tecnología fotovoltaica también pueden contener un óxido conductor transparente (TCO) o capa similar que puede delaminarse de una capa de vidrio adyacente [Jansen03]. Típicamente, si la adhesión se ve comprometida debido a la contaminación (por ejemplo, limpieza inadecuada del vidrio) o a factores ambientales, se producirá la delaminación, seguida por la penetración de humedad y la corrosión. La delaminación en las interfaces dentro de la trayectoria óptica resultará en reflexión óptica (por ejemplo, hasta un 4%, pérdida de potencia D y clase de seguridad A, en una única interfaz aire / polímero) y pérdida subsiguiente de corriente (potencia) de los módulos.

Corrosion of cell & interconnect: Se consideran hasta cuatro niveles de metalización e interconexiones eléctricas. Las “líneas de cuadrícula” (denominadas indistintamente “dedos”) constituyen el nivel más fino de metalización directamente sobre las células y consisten en una serie de líneas de <0,4 mm de espesor. La corriente de las líneas de cuadrícula se recoge en los ‘barras’, que también están directamente en la celda. Las células cableadas en serie están conectadas para formar una cadena por la ‘cinta de interconexión de células’. Debe tenerse en cuenta que la cinta de interconexión de la célula obscurece a menudo la inspección de las barras colectoras sobre las células de silicio porque las superpone directamente. Se conectan múltiples cadenas a través de la ‘interconexión de cadenas’, que por lo general se encuentra cerca del borde del módulo y puede ser oscurecida por el marco del módulo o las capas de cubierta. La disposición de metalización y / o interconexiones puede ser menos estandarizada en módulos de película delgada que la de los módulos de silicio monocristalino y policristalino. En el caso de módulos de película delgada, los cuatro niveles de metalización e interconexiones eléctricas pueden no ser necesarios; La convención de nomenclatura para estos módulos sigue la función del nivel de interconexión particular descrito anteriormente.

Existen otras causas que pueden provocar las fallas de los módulos, pero no son imputables al fabricante, sino son provocadas por agentes externos, los cuales menciono a continuación.

Transport and installation: Es de ​​las primeras etapas críticas en la vida de un módulo fotovoltaico. La cubierta de vidrio de algunos módulos fotovoltaicos así como las células del laminado pueden romperse debido a vibraciones y golpes. En el primer caso es fácil atribuir la rotura del vidrio al transporte o instalación. Evidentemente esto no es un fallo del módulo fotovoltaico. Sin embargo, la causa de la rotura de la célula es mucho más difícil de decidir. Visualmente no se puede ver y en muchos casos no puede ser detectado por una clasificación de potencia del módulo fotovoltaico directamente después de la aparición de la rotura de la célula. Algunas situaciones típicas que conducen a grietas celulares, pero no necesariamente a rotura de vidrio son:

1. Un módulo fotovoltaico cayendo.

2. Un palet insuficientemente rígido que toca el módulo PV más bajo de la pila durante el transporte.

3. Rincones de transporte demasiado apretados en la pila de transporte. Durante el desacoplamiento del módulo superior de la pila, el segundo módulo superior también se levanta y de repente cae.

4. Alguien pisa el módulo fotovoltaico.

5. Incluso en recipientes de transporte bien diseñados, las células de los módulos fotovoltaicos pueden romperse durante el transporte “normal”.

Quick connector failure: El conector enlaza eléctricamente los módulos solares entre sí, a las cajas de fusibles, a los cables de extensión, a las cajas combinadoras y al inversor. Este elemento es muy importante para la seguridad y la generación de energía confiable del sistema. Sin embargo, hay muy poca literatura sobre la fiabilidad de los conectores disponibles en la comunidad PV. En la mayoría de los casos, los problemas causados ​​por el conector no se consideran un fallo del módulo FV. Los fallos típicos son causados ​​por el uso de conectores de diferentes tipos o conectores inexplicablemente conectados a los cables de extensión, la caja de fusibles, la caja combinadora o el inversor en el lugar de instalación.

Los conectores mal ajustados o no bien engastados pueden causar una pérdida de potencia total en toda una cadena. En casos incluso peores, pueden causar arcos eléctricos o incendios. En muchos casos, los conectores están mucho más cerca del material inflamable como las vigas de techo de madera o los materiales de aislamiento térmico que el laminado del módulo fotovoltaico. Una revisión estadística de fuentes de incendios en 75 sistemas fotovoltaicos, muestra que la probabilidad de que el conector rápido cause el incendio (29%) es casi tan alta como para el resto del módulo (34%) u otras partes del Sistema fotovoltaico (37%).

A pesar de la relevancia en materia de seguridad de los conectores rápidos, todavía no existe un conector rápido normalizado. Al contrario, hay muchos conectores rápidos de aspecto muy parecido e incluso aparentemente apropiados en el mercado, que no deben combinarse.

Clamping: Un fallo relativamente frecuente en el campo es la rotura de vidrio de los módulos fotovoltaicos sin marco causados ​​por las pinzas. Los módulos de vidrio / vidrio son más sensibles a la rotura del vidrio. El origen del fallo es, por un lado, en la etapa de planificación e instalación, o bien una geometría de sujeción pobre para el módulo, por ejemplo, abrazaderas demasiado cortas y demasiado estrechas, o las posiciones de las abrazaderas en el módulo no se elijan de acuerdo con el manual del fabricante. El segundo origen, que induce la rotura del vidrio, podría ser tornillos excesivamente apretados durante la fase de montaje o abrazaderas mal posicionadas.

La rotura del vidrio conduce a la pérdida de rendimiento en el tiempo debido a la corrosión de los circuitos celulares y eléctricos causada por la penetración de oxígeno y vapor de agua en el módulo fotovoltaico. Los principales problemas causados ​​por la rotura del vidrio son los problemas de seguridad eléctrica. En primer lugar, ya no se garantiza el aislamiento de los módulos, especialmente en condiciones húmedas. En segundo lugar, la rotura del vidrio provoca puntos calientes, que conducen al sobrecalentamiento del módulo.

Lightning: Un diodo de derivación defectuoso causado por un rayo es considerado un agente externo, para la cual el módulo no está diseñado. Sin embargo, este efecto se ha encontrado a menudo y puede causar fallas de seguridad posteriores, pero el módulo fotovoltaico no es la fuente del fallo. Los defectos típicos causados ​​por un rayo son los diodos de derivación de circuito abierto o un módulo fotovoltaico roto mecánicamente, golpeado directamente por el rayo. Ambos tipos de defectos pueden causar puntos calientes como fallos posteriores.

Existen diferentes métodos para detectar las fallas de los módulos fotovoltaicos:

  • Inspección visual
  • Termografía
  • Electroluminiscencia
  • UV fluorescencia
  • Método de transmisión de señal.

Los módulos fotovoltaicos pueden degradarse o fallar de muchas maneras aunque los tipos de fallos dependen en gran medida del diseño del módulo y del entorno en el que se despliega. A todo esto, ¿sabes cómo interpretar la ficha técnica de un módulo fotovoltaico?, qué te parece si platicamos de eso en la tercera entrega de este artículo…un abrazo.

Bibliografía / Referencias

IEA PVPS, Review of Failures of PV Modules https://goo.gl/QYcTsx

SUNPOWER, Performance and reliability modules anti reflective coated glass https://goo.gl/eLhjEn

NREL, Fielded PV Module Condition https://goo.gl/ZhCrpc

Juan Roberto Jiménez

Juan Roberto Jiménez

Consultor Independiente at Eficiencia Energética y Energías Renovables en CRÉÉE
Ingeniero egresado del IPN con 20 años de experiencia en el área de Ingeniería Civil. Cuenta con 8 años de especialización en el área de Eficiencia Energética y Energías Renovables. Certificado por el FIDE-Conocer en EC0586 Sistemas Fotovoltaicos. Actualmente se desempeña como consultor independiente en Eficiencia Energética y Energías Renovables en CRÉÉE. (Consultancy in Renewable Energy and Energy Eficciency).
Juan Roberto Jiménez

Latest posts by Juan Roberto Jiménez (see all)

Deja un comentario