Як звичайні модулі втрачають енергію?

Дефекти у сонячних модулях ведуть до втрат енергії. У 32% модулів виникають дефекти протягом перших 10 років за результатами інспекцій 9 мільйонів модулів і 551 діючої станції по всьому світу в 2020 р. (Dupont's Global PV Reliability Field Analysis).
Інше дослідження, проведене в Японії, показало, що через 10 років роботи 47% діодів, що зазнавали щоденного затінення, вийшли з ладу.

Згідно з дослідженнями, кількість дефектів зростає, що можна пояснити спробами випускати більшу кількість за менших витрат. Наприклад, поява модулів суттєво більшого розміру з тією ж товщиною рами та скла, без будь-яких змін у конструкції, давно викликає дискусії серед експертів.

Як інновації SunPower Performance впливають на генерацію, надійність і безпеку?

В основі модулів SunPower Performance лежать інновації, що захищені більш, ніж 90 патентами по всьому світу. Вони стосуються конструкції елементів та модуля, а також основних виробничих інструментів та процесів.

  • Гіперелемент (Hypercell) інноваційна основа модулів, що забезпечує більше енергії та надійності.

  • Кожен гіперелемент складається з більш ніж 60 елементів, утворюючи гнучку стрічку, що суттєво знижує ризик утворення мікротріщин.

  • 5 гіперелементів, з'єднаних паралельно, працюють незалежно, знижуючи втрати при затіненні, забрудненні, мікротріщинах.

  • 3 діоди вздовж довгої сторони. Діоди використовуються лише при вертикальному затіненні. При горизонтальному затіненні зниження генерації пропорційно затіненню - 10% затінення дає 10% зниження генерації. Так як діоди використовуються рідше, знижується ризик їх виходу з ладу, що у звичайних модулях призводить до хот спотів.
Унікальна паралельна архітектура з’єднання елементів              

Звичайний елемент vs елемент SunPower Performance   

ЗВИЧАЙНИЙ ЕЛЕМЕНТ
Одна з головних причин втрат енергії - послідовний рух струму та крихкі елементи, схильні до появи тріщин та їх розповсюдження по всьому елементу, що перешкоджає проходженню струму і веде до втрат енергії, заодно створюючи умови для хот-спотів
VS
Гіперелементи, черепична технологія розміщення елементів, у 8 разів менший розмір елементів, паралельний рух струму: знижує ризик появи мікротріщин та обмежує їх на меншій площі; знижує ризик появи хот спотів та розсіює їх ефекти; гарантує відсутність єдиної точки відмови і так далі
ЗВИЧАЙНИЙ ЕЛЕМЕНТ
 
Одна з головних причин втрат енергії - металеві з'єднання між елементами та металеві струмопровідні канали (бас-бари або шини): вразливі і руйнуються з часом, знижуючи потужність модуля; що також призводить до мікротріщин і хот спотів, це ще більше знижує потужність та створює ризики розплавлення
VS
Аерокосмічний струмопровідний клей та черепична технологія: створюють надійні і гнучкі з’єднання між елементами без використання металу.
ЗВИЧАЙНИЙ ЕЛЕМЕНТ
 
Одна з головних причин втрат енергії - металева паста зі зворотного боку елемента: руйнується з тих же причин, що і бас-бари, так само призводячи до зниження потужності
VS
Аерокосмічний струмопровідний клей створює «сітку» з великою кількістю струмопровідних каналів по всьому елементу, дозволяє електронам вільно пересуватися, обминаючи мікротріщини та затінення.
Loading...
ДОКЛАДНІШЕ

ПОШИРЕНА ПРОБЛЕМА # 1:

Волога та теплові цикли руйнують металеві з'єднання між елементами та струмоводні канали (бас-бари або шини)

Майже будь-який модуль має бас-бари – тонкі металеві канали на кожному елементі, їх завдання з'єднувати елементи та проводити струм. Без них звичайний модуль не може працювати. Їхня товщина і кількість - результат компромісу, оскільки вони займають місце на лицьовій стороні елементів, зменшуючи її корисну площу (знижуючи ККД). Проте недоліки цієї системи за останні кілька років змусили виробників збільшити кількість шин (технологія multi busbar), але сам підхід не змінився.
 
ТЕПЛОВІ ЦИКЛИ

Металеві шини розширюються і стискаються при підвищенні температури вдень та зниженні вночі. Температура модулів на сонці може значно перевищувати температуру навколишнього середовища, особливо на даху. Цей стрес може призвести до розриву шин та з'єднань.
 
Іншим наслідком є розтріскування елементів оскільки кремнієва пластина елементу не розширюється і не звужується на відміну від надрукованого на ній металу (мікротріщини – див. нижче). Коли тріснуті елементи більше не працюють належним чином, активуються обхідні діоди (дефекти діода – див.нижче), що істотно обмежують обсяг енергії, що генерується.
 
Через тривалу активацію діод рано чи пізно виходить з ладу, тоді струм буде форсований через дефектні елементи, що в кінцевому підсумку призведе до утворення точки перегріву (хот спот) та безповоротної втрати потужності.
 
КОРОЗІЯ

Через тривалу дію вологи (сніг, дощ, роса, туман, вологість) корозія руйнує бас-бари або шини, що призводить до зниження потужності через зниження кількості струмопровідних каналів та розриву з'єднань між елементами.
РІШЕННЯ

У модулях SunPower Performance виключається використання бас-барів або металевих шин для з'єднань елементів. Замість цих тендітних металевих сполук застосовується вдосконалений електропровідний клей (ECA), спочатку розроблений в аерокосмічній промисловості.
ЗВИЧАЙНІ МОДУЛІ
Цей інноваційний підхід збільшує кількість струмопровідних каналів між елементами, що підвищує ефективність, а також зміцнює кожне з'єднання, щоб витримувати навантаження щоденних коливань температури та корозію з плином часу, і це дозволяє відмовитися від токсичного свинцю, застосовуваного для звичайних з'єднань. Також у модулях SunPower Performance використовують спеціально розроблений компанією запатентований герметик з високою стійкістю до вологості та корозії.

Усунення цих з'єднань дозволило SunPower отримати найнижчий рівень рекламацій у галузі - менше 50 відмов на  1 000 000 модулів, встановлених у всьому світі. 
Дефекти металевих з’єднань через щоденні теплові цикли
Корозія через довготривалий вплив вологи
ПОШИРЕНА ПРОБЛЕМА # 2:
Мікротріщини в елементах

Елементи генерують електрику, проте вони дуже тонкі та крихкі, при згинанні, тиску або напрузі розсипаються на дрібні шматочки, а перебуваючи в модулі покриваються мікротріщинами. Мікротріщини перешкоджають проходженню струму до струмозбірних каналів («пальців») та бас-барів – це ще одна причина, через яку кількість бас-барів було збільшено.

Мікротріщини з часом можуть поширюватися по всьому елементу, що призводить до спрацьовування діода і в кінцевому підсумку до утворення хот спотів (дефекти діода - див.нижче).

Причини виникнення мікротріщин: корозія та теплові цикли (див. вище), вітрові коливання, хот споти, неуважність чи помилки під час монтажу чи транспортуванні, град, надмірний тиск снігу.

Мікротріщини – одна з головних проблем звичайних сонячних модулів. Зазвичай їх не видно неозброєним оком і вони не можуть бути визначені в процесі сервісного обслуговування, у тому числі засобами моніторингу або тепловізором (до критичної стадії - хотів спотів). Для виявлення потрібен електролюмінесцентний аналіз кожного модуля.

РІШЕННЯ
Технологія SunPower Performance істотно знижує ризик появи та вплив мікротріщин: розмір елементів у 8 разів менший, а з'єднання між ними надійні і гнучкі за рахунок заміни бас-барів електропровідним клеєм та черепичною структурою, що одночасно знижує як ймовірність появи мікротріщин, так і можливу площу їх поширення.

Це запис сканера під час механічного навантаження на елементи із силою до 390 N (40 кг) - випробування на вигин у 4 точках. Демонстрація показує  стійкість елементів SunPower Performance (ліворуч) та крихкість звичайних елементів (праворуч). 
Навіть коли ми навмисно створили тріщину на елементі SunPower Performance перед тестуванням, вона однаково не поширюється. Також елементи SunPower меншого розміру та обмежують тріщини на меншій площі. Це підвищує надійність та максимізує вироблення енергії.
Більше того, електропровідний клей створює «сітку» з великою кількістю струмопровідних каналів буквально по всьому елементу, що дозволяє електронам вільно пересуватися, обминаючи мікротріщини та затінення. Такий підхід гарантує відсутність єдиної точки відмови в елементі.
ЗВИЧАЙНІ МОДУЛІ
Стійкість до вібрацій та ударних навантажень
В умовах війни сонячні модулі піддаються нетипічним навантаженням — вібраціям та ударним хвилям від близьких вибухів.
SunPower Performance 7 структурно знижує цей ризик з двох сторін.
Прямих стандартизованих тестів стійкості сонячних модулів до ударних хвиль вибуху в галузі немає. Конструктивні переваги Performance 7 ґрунтуються на публічній відеодемонстрації SunPower (випробування на згин у 4 точках) та внутрішніх дослідженнях Maxeon Solar Technologies.
ПОШИРЕНА ПРОБЛЕМА #3:
Хот Спот (перегрів)
 
Тріщини в елементах, затінення і забруднення можуть призвести до потемніння герметика, пошкодження тильного захисного листа, виходу з ладу діодів та, що найважливіше, до появи хот спотів (гарячих точок). Хот споти суттєво знижують продуктивність модуля та становлять значний ризик виходу з ладу всього модуля, аж до розплавлення та займання.

Хот спот виникає, коли окремий елемент або частина елементу пошкоджена або затінена і більше не виробляє достатньо струму, щоб відповідати сусіднім елементам. Тоді елемент замість виробництва енергії, навпаки, споживає її від сусідів, перетворюючи на тепло. Найслабше місце такого елементу стає резистивним навантаженням і температура зростає. Це може бути викликано поодиноким фактором, таким як поява мікротріщини або регулярними факторами, такими як щоденне затінення або забруднення.

У звичайному модулі весь струм йде через пошкоджений елемент. Розсіювання тепла у пошкодженому елементі або хот споті можна описати як P = I * V, де наявний струм модуля (Isc), що часто досягає 11-18 А в панелях, що використовують більші комірки 182 мм і 210 мм. У разі модулів, що використовують підкладки більшого розміру та повні елементи (full cell), більший струм комірки збільшує розсіювання тепла.

Незалежні дослідження показали, що температура хот споту позитивно корелює зі струмом елемента, а це означає, що модулі з більшим струмом генерують вищі температури хот спотів. У міру того, як на ринок виходять більші елементи, виробникам стає необхідно використовувати будь-яку форму нарізки елементів, як це робить SunPower, щоб пом'якшити вплив хот спотів. У разі модуля із звичайними повнорозмірними елементами (full cell) зі струмом 13 А і негативним зміщенням 20 В, елемент може генерувати до 250 Вт теплової енергії від одного хот споту, що може призвести до температури значно вище 150 ° C - цього достатньо, щоб викликати незворотне пошкодження герметика та заднього листа. З цієї причини багато виробників позбавляють гарантії модулів, які регулярно піддаються затіненню або забруднення.

Щоб уникнути утворення хот спотів, використовуються обхідні діоди. Коли елементи переходять у зворотне усунення, частина модуля вимикається, щоб уникнути перегріву. Це призводить до значної втрати потужності не тільки модуля, а й всього стрінга станції (групи з 15-20 модулів).

Ще гірше те, що якщо в елементах спостерігається регулярне або постійне затінення, забруднення або мікротріщини, то елементи піддаються зворотному зміщенню постійно, що рано чи пізно виведе діод з ладу. Через це більшість виробників позбавляють гарантії модулі, якщо вони регулярно або постійно затіняються (SunPower цього не робить). 

Польове дослідження в Японії показало, що через 10 років роботи 47% діодів, що зазнавали щоденного затінення, вийшли з ладу. Тестування IEC 61215 хоч і спрямоване на визначення характеристик діодів, проте відносно короткі часові рамки тестування обмежують розуміння довгострокової життєздатності цих компонентів.

РІШЕННЯ
Розподіл елементу навпіл знижує струм вдвічі (half cell), а поділ елементу на багато дрібних частин, як у SunPower Performance, знижує струм набагато більше.

Коли елементи SunPower Performance затінені або тріснуті, струм піде шляхом найменшого опору і розділиться з сусідніми елементами. Струм у будь-якому одному ланцюжку становить частину робочого струму повного елементу, що значно знижує поріг розсіювання потужності (I * V). 

Більше того, черепична структура SunPower Performance забезпечує прямий фізичний контакт порушеного елементу із сусідніми елементами, що допомагає розсіювати тепло в хот спотах. При нижчій температурі хот споту в елементі, втрати енергії зведені до мінімуму.
У звичайному модулі елементи з'єднані тільки бас-барами, які мають невелику здатність до теплопередачі, тому в умовах сильного розтріскування елементів або у важких умовах затінення, модулі SunPower Performance працюють при температурі на 40-80 °C нижче звичайних модулів.
        Хвилини після нанесення затінення

Пожежна безпека

Наявність сонячних панелей на даху збільшує інтенсивність та швидкість поширення вогню при пожежі.1, 2, 3 В Україні ризик додатково зростає через військові дії, аварії електромережі та використання генераторів. Тому критично важливо, щоб самі панелі були максимально вогнестійкими.

 

Стандарт пожежної безпеки сонячних панелей: IEC 61730-2 / UL 790

 

 

SunPower Performance 7 — один з найбезпечніших модулів для встановлення на дахах або поруч з людьми.

 

Дослідження впливу сонячних панелей на ризик та поширення пожежі:
1 FRISSBE BAPV Fire Safety Guideline, 2024
2 NFPA — Fire Safety and Photovoltaic Panels on Building Roofs Workshop
3 Efectis Report R001109, Stybenex, 2023

Захист від граду

Практично всі сонячні панелі витримують звичайний град, але не можуть протистояти великому. Україна посідає 8 місце в Європі за кількістю випадків великого граду — близько 50 звітів щороку.1, 2 Дослідження ООН свідчать, що за останні 20 років частота екстремальних погодних явищ у світі зросла удвічі.3

 

Стандарт випробування на стійкість до граду: IEC 61215

 

 

SunPower Performance 7 — оптимальний вибір для регіонів з підвищеним ризиком граду, в тому числі для більшості території України.

 

Переваги Performance при затіненні та забрудненні 

Модуль - альбомна орієнтація

Архітектура паралельних елементів (гіперелементів) модулів Performance мінімізує втрати при затіненні, забрудненні, мікротріщинах і хот-спотах. Модуль Performance втрачає потужність пропорційно до кількості тіні або розміру пошкодженої області. У цьому діоди не активуються.
 
У звичайних модулях струм протікає по безперервному послідовному, а не паралельному ланцюзі. Будь-яка перешкода може негативно зашкодити її роботі. Тінь, бруд, сильні мікротріщини та хот-споти викликають активацію одного з діодів, що призводить до втрати потужності на 33%.
Модуль - портретна орієнтація

Діоди Performance розташовані горизонтально, вони спрацьовують у портретній орієнтації, що означає втрату 33% потужності (з цієї причини рекомендується встановлювати модулі Performance у альбомній орієнтації). Але ефективність все одно вища, ніж у звичайних модулів. Діоди у звичайних модулях у портретній орієнтації ділять модуль навпіл. У такій ситуації їх втрати складуть 50% потужності.
Стрінг - альбомна орієнтація

Коли модуль Performance стикається з лінійним затіненням в альбомній орієнтації, то напруга модуля, а отже і напруга всього стрінгу, залишається незмінною. Це дозволяє інверторам працювати в оптимальному режимі та підтримувати максимальну ефективність.

У звичайному модулі у таких випадках активується діод, тому його напруга та напруга стрінгу падає, що знижує ефективність інвертора.
Стрінг - портретна орієнтація

При лінійному затіненні в книжковій орієнтації потужність модуля Performance і, відповідно, всього стрінга, знижується лише на 33% завдяки особливій конфігурації діодів. Звичайний модуль і його стрінг втратить 50% потужності за тих же умов.

Дізнайтесь більше

Хто і як випробовує SunPower

Приклади проектів з SunPower