1. Wstęp

Nowe rygorystyczne trendy w certyfikowaniu jakości modułów fotowoltaicznych to bardzo ciekawe zagadnienie, z jakim chcielibyśmy zmierzyć się w artykułach. Jak wiadomo każdy produkt sprzedawany na rynku objęty jest gwarancją. To samo dotyczy modułów fotowoltaicznych, które standardowo otrzymują mniej więcej 20 lat gwarancji. Z uwagi na cenę i sposób montażu producenci wychodząc naprzeciw wymagań klientów dążą do przedłużenia żywotności modułów poprzez różnorakie testy, niektóre będące podstawą dla rozmaitych certyfikatów, jakie może otrzymać urządzenie.

Celem serii artykułów jest:

• przedstawienie aktualnych trendów zmierzających do wyraźnego przedłużenia
  trwałości (>25 lat),
• przegląd aktualnych norm międzynarodowych wykorzystywanych do certyfikowania jakości modułów PV wraz z propozycjami dotyczącymi zaostrzenia procedur testowych,
• zestawienie i porównanie zaostrzonych procedur w stosunku do standardowych.

Pierwszy rozdział pracy zawiera podstawowy opis modułu fotowoltaicznego. Następnie opisane zostały wymagania, jakie stawiamy modułom, w celu wydłużenia ich żywotności. W kolejnym etapie został zaprezentowany proces certyfikacji modułu przez odpowiednie instytucje. W trzecim rozdziale zostały opisane sposoby testowania modułów zarówno standardowe, jak i te specjalne. Najważniejszy dział (dział 4) poświęcony jest kilku nowym rygorystycznym trendom, którymi zajmują się firmy na całym świecie. Stanowi  swojego rodzaju rozeznanie w artykułach lub innych publikacjach firm i organizacji specjalizujących się w produkcji, montażu czy certyfikacji modułów PV.

2. Czym jest moduł fotowoltaiczny

Panele fotowoltaiczne jest jednym z najbardziej ekologicznych źródeł energii. Jego rozmiary oraz sposób montażu zapewniają dopływ energii właściwie w każde miejsce na Ziemi, do którego dochodzi energia słoneczna. Moduł jest zbudowany z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Dla większych powierzchni tworzone są tablice fotowoltaiczne. Fotoogniwo jest urządzeniem elektrycznym, konwertującym energię słoneczną na energię elektryczną. Zachodzi to dzięki zjawisku fotowoltaicznemu. Produkowane przez moduły napięcie zależne jest od oświetlenia poszczególnych ogniw. Jedno ogniwo jest w stanie wygenerować napięcie wynoszące około 0,6 V, a moc zazwyczaj nie przekracza 5 W.  Aby uzyskać odpowiednią ilość energii należy łączyć ogniwa w większe układy, które są bardziej efektywne.

Moduły BIPV (Building Integrated Photowoltaic) służą do nietypowych aplikacji. Na rynku produkowane są różnego rodzaju połączenia i układy modułów w zależności od potrzeb konsumenta. Moduły montuje się do zasilania domów jednorodzinnych, oświetlenia ulicznego, czy na platformach wiertniczych. Wykorzystywane są również do tworzenia wielkich farm modułów fotowoltaicznych (najczęściej na dużych obszarach wolnej przestrzeni), do których dociera olbrzymia ilość promieniowania słonecznego.  w budynkach. Stanowią one alternatywę dla klasycznych elementów konstrukcyjnych np.: dachów, elewacji, czy tarasów. Wykorzystywane są również w celach artystycznych, gdzie często łączone są z ciekawym oświetleniem, czy wodą.

Na rynku znajdziemy wiele rodzajów ogniw fotowoltaicznych, w tym:

• pierwszej generacji: ogniwa krzemowe monokrystaliczne i polikrystaliczne,
• drugiej generacji: ogniwa cienkowarstwowe (CdTe, CIGS, a-Si),
• trzeciej generacji: ogniwa bez klasycznego złącza p-n, ogniwa w układach koncentrujących świtało, wysokosprawne wielozłączowe struktury półprzewodnikowe, ogniwa uczulane barwnikiem, ogniwa organiczne OPV.

Jak wcześniej wspomniano, pojedyncze ogniwa mają za małą efektywność i łączymy je w moduły. Aby mogły działać poprawnie przez jak najdłuższy czas należy zabezpieczyć system poprzez proces laminacji. Moduł z krzemu krystalicznego składa się kolejno z: ramy, folii PET, połączonych ogniw, folii EVA, szyby hartowanej oraz puszki przyłączeniowej. Natomiast budowa modułu cienkowarstwowego jest nieco uproszczona. Tworzą go: tylna szyba, folia ochronna PVB, cienkowarstwowe ogniwa, przednia szyba oraz puszka przyłączeniowa.

Aktywną stronę modułu pokrywa się specjalnymi powłokami antyrefleksyjnymi, dzięki którym redukowane są odbijające się promienie słoneczne. Jednocześnie zwiększana jest absorpcja samego panelu, co wiąże się z większą ilością energii wyprodukowanej przez urządzenie. W środku obudowy lutujemy szeregowo poszczególne ogniwa.

Jednym z kluczowych elementów modułów są diody bocznikujące (ang. bypass diode). Jest to niezbędna część montowana równolegle do ogniw fotowoltaicznych, którą polaryzujemy przeciwnie w stosunku do samych ogniw. Stosowane są one w celu zabezpieczenia ogniwa przed przegrzewaniem, gdyż zacienione komórki, rozpraszając moc w postaci ciepła, powodują gorące punkty (ang. hot spots). Diody bocznikujące uniemożliwiają przepływ prądu przez zacienione komórki, co pozwala na zmniejszenie strat napięcia dla całego modułu. Prąd płynący w obwodzie jest równy prądowi najsłabszego elementu, dlatego też należy go ominąć, stosując diodę w odpowiedniej polaryzacji.

Na poniższym rysunku możemy zobaczyć jak wygląda szeregowe połączenie ogniw z dołączonymi diodami bocznikowymi. W momencie, gdy komórka jest zacieniona dioda zaczyna przewodzić, wskutek czego dane ogniwo zostaje pominięte.

Wszystkie elementy modułu przez cały okres eksploatacji są narażone na negatywne oddziaływania środowiskowe, które powodują pogarszanie jego właściwości. Cały zestaw fotowoltaiczny przed sprzedażą musi przejść odpowiednie testy. Jeśli moduł spełnia wymagania określone w odpowiednich normach, otrzymuje właściwy certyfikat potwierdzający jego jakość.

2.1. Wymagania jakościowe stawiane przed modułami fotowoltaicznymi

Moduły fotowoltaiczne są jednym z ekologicznych źródeł odnawialnej energii, co czyni   je alternatywą np. dla elektrowni cieplnych, które wykazują dużo wyższą szkodliwość dla środowiska. Jednym z aspektów czyniącym moduł ekologicznym jest jego trwałość. Gwarancje udzielane dla paneli słonecznych obejmują bardzo długi okres – aż do 25 lat. Jednakże często klienci nie zdają sobie sprawy co kryje się pod słowem „gwarancja”. Wiele firm udziela gwarancji fabrycznych na co najmniej 10 lat, natomiast 25 lat na ich sprawność w granicach 80%. Spadek sprawności jest zależnością liniową. Zakłada się jego obniżanie ok. 0,5- 1% w ciągu roku. Prawidłowo działający panel fotowoltaiczny poza swoją sprawnością powinien cechować się dobrej jakości połączeniami elektrycznymi, a także musi być zamontowany we właściwy sposób, w przeciwnym wypadku może stwarzać realne zagrożenie dla użytkownika czy serwisanta. Bezpieczeństwo użytkowania także objęte jest odpowiednimi normami.

Osoby inwestujące swoje pieniądze chciałyby otrzymać urządzenie, które będzie działało bezawaryjnie przez jak najdłuższy okres niezależnie od warunków pogodowych, dlatego też testuje się odporność paneli na zmiany temperaturowe, wysoką wilgotność, czy opady deszczu lub śniegu, a także zbyt silnie promieniowanie UV, które również może powodować degradację panelu. Krzywa wannowa opisuje częstość występowania uszkodzeń różnych urządzeń, co dotyczy również modułów fotowoltaicznych. Funkcję tę możemy podzielić na trzy części. W pierwszej części zawierają się uszkodzenia wynikające z procesu produkcji i w tym miejscu jest to zależność malejąca. Druga część wykresu opisuje okres normalnej eksploatacji urządzeń, funkcja intensywności uszkodzeń w tym miejscu jest stała. Trzecia część wykresu natomiast ukazuje rosnącą intensywność uszkodzeń, która spowodowana jest  starzeniem się materiałów na skutek procesów fizyko- chemicznych. Należy dążyć do wydłużenia środkowej części charakterystyki.

Awarie instalacji fotowoltaicznych

Moduły fotowoltaiczne ulegają rozmaitym defektom. Jednym z nich jest delaminacja. Polega ona na odklejaniu się folii EVA, która uszczelnia cały moduł. Często powstaje ona w wyniku niepoprawnie przeprowadzonego procesu enkapsulacji, różnych współczynników rozszerzalności materiałów lub zastosowania materiałów niższej klasy. Systemy, które ulegają delaminacji powinny być wymienione, gdyż powoduje ona rozszczelnienie modułu, spada także transmisja światła do ogniwa. Tego typu defekt możemy stwierdzić podczas kontroli wizualnej.

„Hot spots”, czyli tak zwane gorące punkty, powstają na skutek zacienienia ogniw. Komórki oświetlone produkują prąd elektryczny, natomiast nieoświetlone wręcz przeciwnie – pobierają energię z prawidłowo działających komórek zwiększając swoją temperaturę. W taki sposób powstają gorące punkty, które mogą spowodować trwałe uszkodzenie materiałów. Aby zniwelować te zjawisko stosuje się diody bocznikowe. Podczas stosowania niskiej jakości folii EVA często dochodzi do przebarwień. Defekt ten poza obniżeniem estetyki modułu może doprowadzić do delaminacji folii. Brązowienie modułów może przyczynić się do powstania hot spotów, spowodowanych zacienieniem ogniw.

Mikropęknięcia ogniw powstają najczęściej podczas procesu produkcji, czy montażu samego modułu w miejscu docelowym. Nie zawsze prowadzą one do obniżenia sprawności, jednakże istnieje zwiększone ryzyko powiększenia się uszkodzeń. Poza drobnymi uszkodzeniami można natrafić na pękniętą szybę, która może zostać rozbita przez silne gradobicie. Wykrycie tego typu defektów możliwe jest podczas inspekcji wizualnej. W wypadku mikropęknięć wymiana nie jest konieczna, natomiast jeżeli szyba modułu jest pęknięta należy go niezwłocznie wymienić na nowy.

Defektem modułu może być także uszkodzenie złącz. Powstają one najczęściej wskutek zastosowania nieodpowiednich zamienników o niskiej jakości. Defekty te prowadzą do osłabienia połączeń elektrycznych, które mogą powodować iskrzenie, czy całkowite przepalenie konektora. Nieprawidłowo zamontowane puszki połączeniowe mogą przyczynić się do zalania lub przegrzania złącz. Tak więc wszystkie materiały używane do łączenia modułów powinny być odporne na zmiany temperatury, promieniowanie UV oraz wilgotność.

Na podstawie wielu badań, firmy zajmujące się produkcją modułów fotowoltaicznych dążą do wydłużenia żywotności modułów, uodparniając je w jak największym stopniu na występowanie defektów, poprzez stosowanie zmian materiałów czy konstrukcji samych modułów. Wykonują one testy, które mają zagwarantować najwyższą sprawność pomimo zagrożeń środowiskowych. Procedury testowe symulują w krótkim czasie niebezpieczeństwa, na jakie wystawiony będzie moduł przez wiele lat. Przedsiębiorstwa stale zaostrzają procedury testowe, co zostało przybliżone w kolejnych rozdziałach pracy. Brytyjscy Specjaliści podają, iż moduły montowane w najbliższej przyszłości będą mogły pracować 40- 50 lat.

3. Normy i certyfikaty dla modułów fotowoltaicznych

Ten rozdział został przeznaczony pojęciom norm i certyfikatów odnoszących się do modułów fotowoltaicznych. Jak powszechnie wiadomo, każdy konsument wymaga od producenta sprzętu, który będzie odpowiednio wytrzymały na warunki atmosferyczne, działał jak najdłużej z jak najwyższą sprawnością, co powinno być objęte gwarancją udzielaną przez producenta. Należy pamiętać również o bezpieczeństwie, które jest bardzo istotne dla użytkownika, czy też osoby montującej i w przyszłości serwisującej to urządzenie.

Nie każdy zdaje sobie sprawę jakie normy musi spełniać dany sprzęt. Dokumenty te wydawane są przez specjalne instytucje np. TUV, UL czy AIST i obejmują praktycznie wszystkie etapy tworzenia i późniejszej pracy modułów fotowoltaicznych, począwszy od doboru materiałów konstrukcyjnych – po montaż panelu w miejscu przeznaczenia.

Jeśli urządzenie spełnia wszystkie normy może otrzymać konkretny certyfikat. Wydawane są one na podstawie ściśle określonych przez komisję testów. Istnieje wiele testów obligatoryjnych oraz specjalnych dla modułów działających w warunkach odbiegających od standardowych, przykładowo: moduł działający w centrum Europy musi przejść inne testy niż panel zamontowany na farmie przy wyższym stężeniu amoniaku w powietrzu, czy panel pracujący na platformie na środku morza, który będzie narażony na działanie soli. Dlatego też panele przeznaczone do wymagających środowisk muszą przejść dodatkowe testy, które nie są konieczne dla standardowych lokalizacji. Wprowadzanie norm i certyfikatów jest wymuszane przez firmy, czy osoby prywatne, które stale zwiększają swoje wymagania.

Najpowszechniejszymi dyrektywami testowymi dotyczącymi badań naziemnych modułów fotowoltaicznych (PV) są:

• UL 1703 – pierwsza międzynarodowa norma określająca minimalne wymagania związane z konstrukcją modułu i aspektami bezpieczeństwa jego użytkowania
• IEC 61215-1:2017-01E zawiera ogólne wymagania dotyczące badań
• IEC 61215-1-1:2016-10E opisuje wymagania szczegółowe dotyczące badań, modułów wykonanych z krzemu krystalicznego
• IEC 61215-1-2:2017-07E czyli wymagania szczegółowe dotyczące testowania modułów fotowoltaicznych (PV) cienkowarstwowych wytwarzanych na bazie tellurku kadmu (CdTe)
• IEC 61215-1-3:2017-08E wymagania szczegółowe dotyczące testowania modułów fotowoltaicznych (PV) cienkowarstwowych wytwarzanych na bazie krzemu amorficznego
• IEC 61215-1-4:2017-08E wymagania szczegółowe dotyczące testowania modułów fotowoltaicznych (PV) cienkowarstwowych wytwarzanych na bazie Cu(In,Ga)(S,Se)2
• IEC 61215-2:2017-05E opisuje metody badań modułów fotowoltaicznych (PV) do zastosowań naziemnych
• IEC 61730-1:2007/A11:2015-06E precyzuje wymagania dotyczące konstrukcji, aby ocenić bezpieczeństwo modułu fotowoltaicznego (PV)

Przed zakupem każdy kupujący powinien zastanowić się gdzie chciałby zamontować swój zestaw solarny oraz jakie niekorzystne warunki mogą zakłócać jego pracę, czy skrócić żywotność. Każdy klient może zwrócić się do producenta z zapytaniem o moduł, który będzie spełniał indywidualne wymagania.

3.1 Najważniejsze testy wykonywane w procesach certyfikacji

Proces certyfikacji polega na poddaniu modułu odpowiednim testom, które oczywiście różnią się od siebie w zależności od przeznaczenia panelu. Jeśli panel spełnia odpowiednie normy może otrzymać certyfikat. Stosowane są niżej wymienione.

Inspekcja wizualna (ang. Visual inspection)- jest pierwszym podstawowym testem jakości modułu fotowoltaicznego. Na tym etapie kontrolujemy jakość wykonania modułu za pomocą ludzkich zmysłów, takich jak wzrok, czy dotyk. Polega ona na znalezieniu widocznych uszkodzeń, niedociągnięć powstałych w procesie produkcji. Ten sam test przeprowadza się po zamontowaniu modułu w miejscu docelowym, sprawdzając wtedy odpowiednie spasowanie elementów, prawidłowość podłączenia, czy odpowiednią kompozycję jeśli panel pełni rolę dekoracji.

Test odporności na promieniowanie UV (ang. UV preconditioning)- test mający na celu sprawdzenie odporności modułu na degradację powodowaną przez promieniowanie ultrafioletowe (UV), a co za tym idzie stratę wydajności. Test ten zazwyczaj przeprowadzany jest przed testami cyklów termicznych i wilgotnościowych, w temperaturze +/- 60°C (wówczas poddawany jest promieniowaniu UV.

Test wytrzymałości w wysokiej temperaturze przy wysokiej wilgotności (ang. Damp Heat- DH1000) – jest to test, który weryfikuje proces laminowania modułu fotowoltaicznego oraz jego szczelność. Połączone ogniwa fotowoltaiczne znajdują się w szczelnie zamkniętej obudowie, która nie powinna dopuścić do zawilgocenia elementów wewnętrznych. Decydującym parametrem tego testu jest wytrzymałość na odrywanie modułów PV po laminacji. Test ten dokonywany jest w temperaturze około 85°C, przy wilgotności względnej 85%. Cykl ten trwa nieprzerwanie przez 1000 godzin, co w przeliczeniu trwa ponad 40 dni. Cały proces odbywa się w specjalnie przygotowanej komorze badawczej, gdzie panują wcześniej opisane warunki.

Test głębokiego wymrażania (ang. Humidity-freeze- HF10) – celem testu jest określenie odporności modułu na penetrację wilgoci, która w warunkach zewnętrznych jest bardzo ważnym aspektem. W teście tym panel poddawany jest cyklom polegającym na zmianie temperatur
od 85°C do -40°C przy wilgotności względnej wynoszącej 85%. Proces ten obejmuje 10 pełnych cykli w specjalnej komorze klimatycznej która jest szczelnie zamknięta, a w niej panują wyżej opisane warunki. Proces ten bardzo dobrze obrazuje poniższy rysunek.

Test cykli temperaturowych (ang Thermal cycling- TC50 lub TC200) – istotą jest symulacja warunków środowiskowych poprzez sprawdzanie modułu przy naprężeniach temperaturowych, które powstają podczas ekstremalnych zmian temperatury. Test ten przeprowadza się w specjalnej komorze termicznej, którą rozgrzewa się do ok. 90°C, a następnie chłodzi do -40°C, jest to długotrwały proces liczący 200 cykli termicznych. Ta procedura jest konieczna, gdyż panele powinny wytrzymywać częste zmiany temperatur co uczyni je mniej awaryjnymi. Dzięki cyklom temperaturowym możemy znaleźć błędy w doborze materiałów, których współczynniki temperaturowe będą zbyt odległe od siebie, co może powodować pogorszenie właściwości modułu, zerwania lutów oraz rozszczelnienia całych systemów. Proces dobrze obrazuje poniższa ilustracja

Test uderzenia gradowego (ang. Hail impact test) – jest to test mechaniczny, który ocenia wytrzymałość modułu na uderzenia kulek gradowych w temperaturze ok. 4°C. Podczas procedury testowej używa się

pneumatycznych wyrzutni lodowych kul, gdzie istnieje możliwość sterowania ich ciężarem i prędkością. Moduł musi zostać uderzony w co najmniej 10 miejscach. Po wykonaniu testu dokonuje się weryfikacji wizualnej. Aby moduł pozytywnie przeszedł test na jego powierzchni nie mogą występować widoczne uszkodzenia: rozbite komórki, rozbite szkło czy mikro pęknięcia. Grad jest zjawiskiem występującym w wielu częściach świata co czyni go koniecznym testem, gdyż w przypadku braku wytrzymałości panelu na tego rodzaju uderzenia może dojść do poważnych uszkodzeń mechanicznych.

Każdy z testów ma za zadanie sprawdzić i ocenić wytrzymałość modułu na odpowiednie uszkodzenia, co obrazuje poniższa tabela.

Wszystkie przeprowadzane testy wymagają odpowiednich urządzeń, na które niewiele firm może sobie pozwolić. Przedsiębiorstwa, które posiadają stosowne stanowiska testowe mogą wykryć błędy już na początku produkcji, co pozwala na jej zatrzymanie w odpowiednim momencie i nie naraża firmy na dodatkowe koszty.

3.2. Procedury testowe dla modułów o zastosowaniach specjalnych

Standardowe testy i certyfikaty nie są wystarczające do określenia niezawodności modułów fotowoltaicznych. Dla paneli PV montowanych w standardowych warunkach środowiskowych normy IEC 61215 czy IEC 61730 mogą być wystarczające, jednakże niektóre miejsca, czy sposoby montażu wymagają dodatkowych testów, potwierdzających trwałość modułów. Poniżej zaprezentowano kilka przykładów prób, jakim poddawane są  produkty, w których  rolę odgrywają niestandardowe warunki środowiskowe.

Pierwszym z problemów jest „salt mist”, czyli mgła solna. Występuje najczęściej w środowiskach morskich lub w miejscach, gdzie sól używana jest do roztapiania lodu na ulicach i drogach, gdzie występuje wysokie stężenie soli przy równie wysokiej wilgotności, które powodują silnie korozyjną atmosferę. To zjawisko powoduje niszczenie lub osłabienie działania modułów PV z uwagi na ich budowę. Badanie odporności na mgłę solną opisane jest w certyfikacie IEC 61701.

Kolejnym z miejsc montażu modułów, dla których konieczne jest wykonanie dodatkowych testów, jest środowisko, w którym występuje wysokie stężenie amoniaku w powietrzu. Takie warunki panują w środowiskach rolniczych, gdzie występuje wysoce korozyjna atmosfera, co sprzyja przyswajaniu przez elementy niemetaliczne amoniaku i w konsekwencji pogorszenie ich właściwości. Test na korozję spowodowaną wysokim stężeniem amoniaku opisany jest certyfikatem IEC 62716. Przeprowadza się go dla stężenia amoniaku na poziomie 6667 ppm, w temperaturze około 60°C przy relatywnej wilgotności 100%. Test trwa 480 godzin w skład którego wchodzi 20 cykli 24-godzinnych. Podczas jednego cyklu wystawiamy na 8 godzin moduł na działanie NH₃, przy temperaturze 60° C i wilgotności 100%, po czym suszymy moduł przez 16 godzin w temperaturze 18- 28°C przy maksymalnej wilgotności 75%.

Dodatkowe testy przeprowadzane są również z uwagi na pył i piasek. Takie narażenia mogą być obecne na terenach pustynnych, gdzie panuje stosunkowo wysoka temperatura, niska wilgotność, a także występują silne wiatry, czy nawet burze piaskowe. Test ten opisuje norma IEC 60068-2-68. Podczas testów badamy odporność modułu na piasek, czy kwarc o rozmiarach cząsteczek od 70 um do 850 um, stężenie pyłu od 1 g/m³ aż do 10 g/m³, prędkość powietrza to 20- 25 m/s, temperatura 40-60°C przy wilgotności względnej poniżej 25%, przy czym całość testu trwa po 4 godziny na każdą ze stron modułu.