מצבי כשל אפשריים של פאנלים סולאריים

צילום מסך של מערכת ניטור למתקנים סולאריים – TIGO

מאת: אילן רון

יזמים ומשקיעים רבים השוקדים על הכנת תוכנית עסקית כזו או אחרת למערכות סולאריות, אינם מודעים מספיק לאפקטים שיש לזמן החולף ואיכות הייצור על תפקודי הפאנלים הסולאריים. המשמעות של תקלות מהסוג הנ"ל כרוכה בירידה בביצועים, אך גם בתהליך שלא תמיד קל לבצעו של איתור הבעיה ומיקומה וכן עלויות תיקון ואילוצים למיניהם.

היות ואין בפאנלים חלקים נעים (המקור העיקרי של בעיות אמינות של סוגים אחרים של מערכות להפקת חשמל), תוחלת  החיים של פאנל פוטו וולטאי נקבעת במידה רבה על ידי היציבות וההתנגדות לקורוזיה של חומרים שמהם הוא בנוי. אחריות יצרן של עד 20 שנים מעידה על איכות הסיליקון מהם בנויים התאים הסולאריים, עם זאת, ישנם מצבי כשל הנובעים מכמה מנגנוני התדרדרות אשר עלולים לצמצם את תפוקת החשמל ו\או לגרום לכשל כללי בפאנל. כמעט כל המנגנונים האלה קשורים לחדירת מים או לתנאי הלחץ והטמפרטורה השוררים בסביבת הפאנל..

ירידה הפיכה בביצועים
פנל פוטו-וולטאי יכול להפיק אנרגיה מופחתת מסיבות הפיכות. לדוגמא הצללה הנגרמת כתוצאה מצמחיה שהגדלה מול הפאנל. המשטח הקדמי עשוי להיות מלוכלך (מניסיון, ירידת ביצועים של עד 10% בתפוקה בשל לכלוך המשטח הקדמי ואפילו 20% באזורים מאובקים במיוחד). במקרים אלו גם אם נראה כי הפאנלים כשלו, ניתן להחזיר את המצב לקדמותו בקלות על ידי סילוק הגורם לירידת הנצילות.

לכלוך (SOILING)

לכלוך על המשטח העליון של המערך עלול לגרום גם להפסדים אחידים  ו\או להגדלת חוסר התיאום בין תפוקת הפאנלים( MISMATCH).

התדרדרות וכשל של פאנלים פוטו-וולטאים

מנגנוני התדרדרות עשויים להיות כרוכים גם בהפחתה הדרגתית וכללית של תפוקת הפאנלים לאורך זמן וגם בירידה כללית בשל כשל של תא שמש בודד בתוך פאנל.

התדרדרות תא סולארי יחיד

התדרדרות הדרגתית בביצועי פאנל יכולה להיגרם על ידי:

• עליה בהתנגדות הטורית RS של תאי השמש בשל ירידה באיכות ההדבקות של המגעים או קורוזיה (בדרך כלל נגרמת על ידי לחות) – הדבר יגרור אנרגיה שתלך לאיבוד על התחממות אותם מגעים.
  ירידה בהתנגדות המשטח ((RSH עקב פעפוע מתכת דרך צומת pn ויצירת זרמי זליגה. כלומר שחלק מהאנרגיה יזלוג פנימה בתוך הפנל ולא יבוא לידי ביטוי בתפוקה.
• ההידרדרות ציפוי antireflection. כאשר הציפוי מתפקד פחות טוב, כמות האור שמגיעה לתהליך הפוטו-וולטאי קטנה, ולכן גם התפוקה תרד בהתאם.

קצר חשמלי בתאים

קצר יכול להתרחש בכל אחד מהחיבורים החשמליים הפנימיים (INTERCONNECT), זהו גם מצב כשל שכיח יותר בפנלים על בסיס שכבות דקות ((THIN FILM מכיוון שהמגעים העליונים והאחוריים הרבה יותר קרובים האחד לשני ולכן יש סיכוי רב יותר להיווצרות לקצר כתוצאה מחורי סיכה או אזורים שעברו קורוזיה או פגמים בייצור חומר התא.  קצרים בעצם יוצרים מעקף על פני התאים המקוצרים וכך האנרגיה שלהם לא באה לידי ביטוי בתפוקה (היא זורמת חזרה דרך הקצר).

נתקים בחיבורי תאים

זהו מצב הכשל שכיח, למרות שישנם יתירות וריבוי נקודות מגע וכן מגעי busbars, שאמורים לאפשר לתא להמשיך לתפקד:

• סטרס תרמי
• פגיעת ברד
• נזק במהלך העיבוד וההרכבה, שיוצר "סדקים רדומים", אשר אינם ניתנים לגילוי במהלך הייצור ומופיעים מתישהו מאוחר יותר.

נתקים של חיבורים בפאנל

בעיקר עקב עומסים מחזוריים הקשורים בחום ורוח היוצרים עייפות חומר.

נתקים ברמת הפאנל

כשלים ונתק ברמת הפנל יכולים להתרחש גם במבנה הפנל, בדרך כלל חיווט ה BUSBAR או בתיבת החיבורים האחורית.

קצרים ברמת הפאנל

למרות שכל פנל נבדק לפני המכירה, קצרים בפאנל הם לעתים קרובות תוצאה של פגם בייצור. הם מתרחשים עקב התדרדרות בבידוד כתוצאה מבליה, וכתוצאה היחלשות של הלמינציה, סדקים  ו\או קורוזיה. גם כאן יגרום הקצר למעקף לא רצוי של הרבה אלמנטים מייצרי אנרגיה והתפוקה תרד באופן דרסטי.

שבר זכוכית
ניפוץ משטח הזכוכית העליון יכול להתרחש עקב ונדליזם, לחץ תרמי, טיפול לקוי, רוח או ברד. כאשר הזכוכית שבורה, ישנה פגיעה באור הנכנס וגם פתח לכניסת לחות שתדרדר את הפאנל.

היחלשות הלמינציה

לשם אטימת התאים משתמשים בתהליך הנקרא למינציה. זו מעין הדבקת סנדוויץ' של חומרים בחום ולחץ. מצב הכשל הזה היה השכיח בדורות הראשונים של הפאנלים, כיום הנושא פחות בעייתי. התופעה נגרמה על ידי הפחתת עוצמת הקשר בין השכבות, על ידי לחות או הזדקנות או על ידי התפתחות מפל לחצים בהדבקה הפנימית.

כשלי נקודות חמות – HOT SPOTS

תאים בעלי תפוקה נמוכה יותר מסביבתם, כתוצאה מהצללה חלקית, סדקים, או פגם בייצור יכולים לגרום לתופעת ה "נקודת החמות" בהן התא מתחמם כתוצאה מהזרם שעובר דרכו למרות שאינו מייצר אנרגיה, חיי התא מתקצרים משמעותית. ניתן לעקוף את התופעה על ידי שימוש בדיודות מעקף, אך אז הופכות הדיודות עצמן לנקודת התורפה והן שיכשלו ראשונות לאורך זמן, כתוצאה מפתיחת המעבר דרכן באופן תכוף מדי. לעיתים בגלל תכנון חסר של הדיודות הנ"ל הן יכשלו מהר מהצפוי.

כשל בחומרי אנקפסולציה (ENCAPSULATION )

אטימת הפאנל מושתתת על חומרי אנקפסולציה. אמנם בחומרים הנ"ל מובנים גם חומרים לבלימת קרינה אולטרה סגולה וליצירת עמידות לאורך זמן, אך פעפוע איטי והתדלדלות החומר מגיעים למצב שבו יש קריסה מהירה יחסית בתכונות החומר וכתוצאה מכך יכולה אף להצטבר חומצה אצטית שתגרור ירידת ביצועים בפנל בהתאם.

לסיכום

ניכר כאן שיש בפאנלים אפשרויות רבות יותר לירידה בביצועים מאשר במבט ראשון. הזמן החולף נותן בהם את אותותיו וטרם גילינו את כל הבעיות הכרוכות בכך. לא תמיד דפי הנתונים והביצועים בימיהם הראשונים של הפאנלים יכולים להעיד על איכות לאורך זמן, וקשה לנבא זאת. מצד שני אפשר להעריך כי ככל שיש יותר ניסיון בתהליכי ייצור וכן היסטוריה של פאנל מסוים, כן יגדל הסיכוי לביצועים ארוכי טווח.

בחישוב של עלות מול רווח עבור מי שבונה מתקן סולארי לעשרים שנה ויותר, יש לתכנן תחת הנחת העבודה שכשלים אלו אכן יקרו, אך למזער את הנזקים הכרוכים בכך ולייעל את תהליך איתור התקלה ותיקונה. אבל זה כבר נושא למאמר אחר.

הכותב הוא מנכ"ל חברת אנרייט טכנולוגיות בע"מ המספקת מגוון פתרונות ומוצרים לתעשיית האנרגיה הסולארית.

מאמר זה מתפרסם במגזין "תשתיות סביבה ואנרגיה" גליון 01 ספטמבר 2010