דגרדציות בפאנלים סולאריים – והדרכים למניעתן

בכל פאנל סולארי קיים חשש להופעת פגמים וניוון. מאמר זה מפרט את סוגי הסיכונים המאיימים על פאנלים במערכות סולאריות ואת הדרכים למנוע אותם.

מאת מייק גרין ושמשון רפפורט · פורסם בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 81, פברואר 2020

השוק הסולארי במדינה מתבגר: מאז שהמערכות הסולאריות הראשונות נבנו, במסגרת ההסדרה הראשונה לייצור עצמי, חלפה מחצית חייהן הכלכליים. ההספק המותקן המקסימלי של הסדרות אלה עמד על 55 קוט"פ עם 50 קוו"א כלפי הרשת. חלק ניכר של ההסדרות הראשונות הותקנו על גגות של רפתות, לולים ומפעלים, ורובן אכן היו בהספק המקסימלי.

תקופה חמה זו בהיסטוריה הסולארית שלנו התלכדה עם התעצמות השוק במדינות נוספות באירופה ובעולם, וגורמים אלה הביאו ללחץ כבד על מפעלי הייצור שרובם היו ועודם בסין. ייתכן שלחץ זה גרם לשימוש בחומרים איכותיים פחות מאשר המקובל בייצור החומר העוטף את התאים בתוך הפאנלים. יחד עם זאת, הקבלנים החדשים בענף לא תמיד הבינו איך לשנע ולהתקין פאנלים בצורה שתבטיח את שלמות הפאנל לאורך שנים.

בנוסף לגורמים אלה, מצב המחקר והפיתוח של ענף הפאנלים היה בצעירותו, והמידע על תפקוד פאנלים בני עשר שנים ויותר היה זעום. היום אנחנו רואים מערכות סולאריות עם פאנלים שאינם מתפקדים כפי שצפו: לפעמים התפוקה הנמוכה היא תוצאה של חוסר ניטור יעיל ותחזוקה לקויה, אך יש מצבים שבהם הפאנלים נמצאים במצב של דגרדציה מואצת.

מגוון סיבות יכולות לגרום לדגרדציה של מערכות סולאריות, וכתוצאה מכך להפסדים משמעותיים בתפוקת האנרגיה וברווחיות המערכת. הבנה של סוגי הדגרדציה, אופן זיהויָם והדרכים למניעתם היא ידע קריטי במניעת הפסדים כאשר המערכת אינה מפיקה חשמל כצפוי. במאמר זה נדון בסוגי הדגרדציה הנפוצים והמשמעותיים ביותר: נקודות חמות, פאנלים מצהיבים, אי־למינציה, בועות, סדקים, ותופעת ה־PID. המאמר מתייחס לפאנלים מסוג mono-crystalline ו־poly-crystalline, אך הדברים רלוונטיים ברובם גם לפאנלים מסוגים אחרים.

דגרדציה טבעית

כל סוגי התאים הסולריים חווים דגרדציה. פאנלים סולאריים מסוג mono-crystalline ו־poly-crystalline חווים דגרדציה בממוצע של 0.7% עם חציון של 0.5% בכל שנה, בצורה טבעית. יצרני פאנלים מציעים אחריות בהתחשב בדגרדציה הטבעית הצפויה לפאנל.

נקודות חום

נקודות חום בפאנלים סולאריים הן תופעה שבה תאים סובלים מיעילות פחותה כתוצאה מהתנגדות מוגברת. נקודות חום יכולות להיווצר משלל סיבות, כולל הצללות, אבק, לכלוך וסדקים. כשפאנל חשוף לשמש, זרם החשמל שעובר דרך התאים החלשים גורם לחימום התא עקב ההתנגדות המרבית. התוצאה היא חום ועלול להיווצר אף זרם מוטה הפוך, אשר יכול לפגוע משמעותית בתפוקת ויעילות הפאנל ובמקרים נדירים אף לגרום לשריפה.

דרך אחת למניעת נקודות חום היא דרך דיודה עוקפת. כשתא סולארי אחד או יותר חווים התנגדות מרבית עקב הצללה או תקלה כלשהי, התנגדות התא הסולארי מתגברת ומונעת מהתאים הסולאריים הנוספים להעביר זרם – דבר המסכן את הפאנל בנקודות החום. כתוצאה מההתנגדות המוגברת, המתח בתור עולה. כשהמתח עולה מעל מפתן המוגדר לדיודה, הדיודה המחברת בין הקוטב החיובי והשלילי של התור סוגרת מעגל, והתור שחווה הפחתת זרם נעקף.

במקרה שהדיודה נכנסת לפעולה, חלק משמעותי של הפאנל מפסיק להפיק חשמל וכתוצאה יעילות המערכת פוחתת – אך מנגנון זה מועדף בזכות מניעת פגיעת התא בנקודות חום. ייתכנו מצבים שבהם הדיודות העוקפות אינן מתפקדות כצפוי, כמו למשל כשאיכות הפאנל ירודה: אז ייתכן שהדיודה לא תסגור מעגל מכיוון שאינה מתפקדת כצפוי למתח הנומינלי. במקרים אחדים הדיודה סוגרת מעגל כצפוי, אך לאורך זמן מתחממת ונמסה עד כדי ניתוקה ממעגל הפאנל, וכתוצאה הזרם החשמלי עובר דרך התא הסולארי ויוצר נקודות חום.

איך מונעים נקודות חום?

נקודות חום מתחילות קטנות וכמעט בלתי נראות, ולאט לאט גדלות. ככל שבתאים הסולאריים נוצרת יותר התנגדות עקב דגרדציות שונות והצללות, כך גם הנקודות החמות מגיעות לטמפרטורות גבוהות יותר, מהר יותר ולזמן ממושך יותר. במצבים קיצוניים אפשר לזהות נקודות חום בבדיקה ויזואלית, אך מקובל לאתר אותן באמצעות מצלמה טרמית המייצגת אותן כנקודות בהירות בפאנל. במערכות תעשייתיות ומסחריות המכילות יותר מאלפי פאנלים קיימים שירותי מזל"טים לצילום טרמי של המערכת. אם נמצאו נקודות חום, חשוב להחליף את הפאנלים הפגועים כדי למנוע שריפה והחמרת התופעה לפאנלים נוספים בתור.

מלבד איתור נקודות חום, פעולת מניעה חשובה היא רכישת פאנלים איכותיים המכילים דיודות עוקפות איכותיות, הימנעות מהתקנת פאנלים במקומות מוצללים, איתור צללים ומניעתם, וכן ניקוי הפאנלים בתדירות מספקת.

סדקים בפאנלים

ממדי התאים הסולאריים הולכים וקטנים, ועם זאת הם נעשים שבירים יותר. כתוצאה, בעיה המתעוררת במערכות סולאריות היא סדקים, אשר יכולים להיווצר בשלבים שונים ומסיבות שונות. הסיבות כוללות הלחמה לא תקינה בייצור הפאנל, ויברציות בזמן הזזת הפאנלים בתהליך הייצור והמשלוח, התקנה לא זהירה בשטח, ותנאי מזג אוויר כמו סופות קשות, רוחות חזקות, שלג וברד. בנוסף, הסדקים עלולים להיווצר גם עקב חשיפה לטמפרטורות גבוהות ועומס מכני.

משמעות הסדקים עלולה להיות הפחתת תפוקת התאים הסולאריים בשיעור של עד 16%. כמו כן, פאנלים המכילים סדקים מציגים אופייני זרם־מתח משתנים שאינם בגדר האופיינים הטכניים המוגדרים לפאנל. בנוסף, סדקים יכולים להאיץ התפתחות דגרדציות כגון נקודות חום, קורוזיה, אי־למינציה, PID ושינוי צבע הפאנלים.

סדקים לרוב מופיעים בקצה הסרגלים החשמליים שבפאנלים. פאנלים המכילים סדקים מועדים לפתח עוד סדקים, וחומרת הפגיעה בתפוקת האנרגיה תלויה בסוגי הסדקים ובמיקומם.

בדיקות מעבדה לאיתור סדקים

הדרך הנפוצה לבדיקת סדקים שאינם נראים לעין היא לחשוף את הפאנל למתחים שונים בטמפרטורות מבוקרות ולצפות בתוצאות. לאחר מכן משווים את פעולת הפאנל החשוד בסדקים לפאנל מאותו סוג שאינו סובל מדגרדציה. שיטה נוספת היא הכוונת לייזרים בתדרים שונים ובחלקים שונים של הפאנל, והשוואת פעולת הפאנל לפאנל תקין באותם תנאים. שיטה שלישית כוללת שימוש במכשיר SQUID, המודד שינויים אלקטרומגנטיים זעירים ומתחים וזרמי חשמל זעירים המצביעים על סדקים ואף מיקרו־סדקים.

מגוון שיטות בדיקה עושות שימוש במדידת תגובת התדר של פאנל החשוף לגלי קול. שיטה אחרת משתמשת בתדרים לזיהוי סדקים, כגון מכונת Resonance Ultrasonic Vibration (RUV), המאפשרת זיהוי במהירות מוערכת של שתי שניות לתא סולארי, אך אינה מספקת מידע על המיקומים המדויקים. שיטות נוספות עושות שימוש בטכנולוגיות Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI), הדמיות טרמיות, צילומי Electroluminescence (EL), Lock-in Thermography (LIT), Lock-in Carrierography (LIC), וטכנולוגיות Terahertz (THz) כגון Laser Terahertz Emission Microscopy (LTEM).

כדי להפחית את הסיכויים להיווצרות סדקים עדיף להפחית ככל האפשר חשיפה לטמפרטורות סביבה קיצוניות, לרכוש פאנלים מיצרנים אמינים עם תהליך ייצור מבוקר, ולוודא ששליחת הפאנלים נעשית בצורה נכונה על פי הנחיות היצרן, מהנמל ועד לאתר ההתקנה. והחשוב ביותר – יש לוודא שהצוות המתקין מודרך על הטיפול הנכון בפאנלים.

אי־התאמה בין תאים סולריים בפאנל

סיבה נוספת להפחתת יעילות פאנל סולארי, ובמקרים חריגים אף פגיעה קבועה מנקודות חמות או זרם מוטה הפוך, נוצרת כתוצאה מאי־התאמה של אופיינים חשמליים בתאים סולאריים. בדרך כלל האופיינים שאינם תואמים הם מתח מעגל פתוח או זרם קצר, מכיוון שהתאים בפאנל בצבעים שונים ולכן סופגים תדרים שונים מגלי האור הפוגעים בפאנל. כתוצאה, האופיינים של התאים השונים באותו פאנל מתנהגים בצורות שונות תחת אותם תנאים.

אי־ההתאמה נגרמת בשל ייצור פאנלים לקוי ללא דגש על בקרת איכות, שתוודא שלתאים הסולאריים שמהם מורכב הפאנל יש אותם מאפיינים חשמליים. באופן כללי, כל שינוי משמעותי בעקומת ה־IV של תאים סולאריים מפחית את היעילות ומסכן את בריאות הפאנל. בדומה להצללות, כאשר הזרם הקצר של התא נמוך משמעותית משאר התאים בתור, קיים חשש לזרם בהטיה הפוכה, אשר יכול להרוס את התא הסולארי ולמנוע מהתור לייצר חשמל. בניגוד לזרם קצר, מאפייני מתח שונים בין תאים בתור אינם מהווים סכנה ואינם פוגעים ביעילות התאים השכנים משמעותית.

הצהבת פאנלים

הצהבת פאנלים היא סוג נוסף של דגרדציה, הנוצרת עקב דהיית צבע מעטפת הפאנלים המכילה אתילן ויניל אצטט. ההצהבה יכולה לגרום לדגרדציה של עד 0.5% בשנה עקב הגברת הזרם הקצר של התאים הסולאריים, והיא יכולה להופיע בשלל תבניות או ללא תבנית כלל. התבנית הנפוצה היא צורת טבעת הנוצרת סביב התאים הסולאריים. התופעה נוצרת עקב חשיפת הפאנל לגלי אור בטווח תדרי הסגול והכחול, בתהליכים תרמו־חמצוניים ופוטוכימיים.

מלבד פגיעה בתפוקת הפאנל, הצהבה יכולה גם להעיד על נקודות חום בפאנל. בנוסף, היא יכולה לגרום לעוד סוגי דגרדציה כגון אי־למינציה ושבירות מוגברת של הפאנלים, וכתוצאה – מועדות לסדקים. אפשר לזהות הצהבת פאנלים בעזרת בדיקה ויזואלית זהירה.

אטימות פאנלים, אי־למינציה ובועות

למינציה, בהקשר של פאנלים סולאריים, היא המעטפת של הפאנל הכוללת את שכבת הזכוכית בצד הקדמי, המעטפת מאחורי הפאנל, החומרים (כגון דבק) המוודאים אטימות בין השכבות, מסגרת הפאנל ושכבת האתילן ויניל אצטט המושחלת בין הזכוכית לתאים הסולאריים.

השכבה עם הסיכוי הגדול ביותר לדגרדציה היא זו שבין שכבת האתילן ויניל אצטט והתאים הסולאריים. אי־למינציה, הפוגעת באטימות הפאנל, יכולה להיווצר עקב לכלוך הגורם לשריטות, קורוזיה וחדירת לחות. במקרה שפאנל סובל מאי־למינציה, לחות וגזים יכולים לחדור ולהתפתח, באופן שיגרום לפגיעה ביעילות הפאנל בכ־4%.

מניעת אי־למינציה מתחילה ברכישת פאנלים באיכות גבוהה. לפאנלים המיוצרים באיכות גבוהה יש שכבות אטימות איכותיות ודבק עמיד למשך חיי הפאנל. בנוסף, חשוב מאוד להיזהר בזמן ההתקנה שלא לשרוט את הפאנלים, במיוחד בשכבה העדינה בגב הפאנל.

בדומה לאי־למינציה, בועות נוצרות בפאנל עקב אטימות לקויה בין שכבת ה־EVA לתאים הסולאריים. במקרים שבהם אין אטימות מספקת נוצרים מרווחים המאפשרים אינטראקציות כימיות בתוך הפאנל. אינטראקציות אלו יוצרות גזים שמצטברים בין זכוכית הפאנל לתאים הסולריים ובין הכיסוי האחורי לתאים. הבועות יצטברו לרוב במרכז הפאנל, ועלולות לגרום לנקודות חום המפחיתות את חיי הפאנל ואת יעילותו. כדי למנוע התפתחות בועות מומלץ לקנות פאנלים איכותיים ולהבטיח שאטימות שכבת ה־EVA מספקת לחיי הפאנל תחת תנאי ההתקנה הנחוצים.

תופעת ה־PID (Potential Induced Degradation)

PID היא תופעת דגרדציה שבה נוצר מתח בין התאים הסולאריים בפאנל והרכיבים השונים שמהם מורכב הפאנל, כגון הזכוכית או מסגרת הפאנל. התופעה יכולה לגרום להפחתת יעילות הפאנל בשיעור של עד כ־70%. בתופעת ה־PID המולקולות השונות, כגון מולקולות נתרן בזכוכית, נעות בין רכיבי הפאנלים לתאים הסולאריים, ויוצרות אינטראקציות כימיות בתא הסולארי המשנות את מאפייני הזרם והמתח שלו. בעקבות השינוי במאפייני הזרם, יעילות התא נפגעת.

התופעה לרוב נוצרת כשהמערכת הסולארית מותקנת כמערכת זינה צפה. מערכת זינה צפה מעוצבת כך שאין לקטבים הפעילים של המחרוזת חיבור לארקת המערכת, אך מסגרת הפאנלים מחוברת לארקה. מכיוון שהמסגרת מוארקת והתאים אינם, נוצר הפרש מתח בין מסגרת הפאנלים לתאים. בפאנלים הקרובים לקוטב החיובי של המחרוזת, השדה החשמלי בין התאים והמסגרת חיובי, ובמקרה כזה אין סכנה של היגור נתרן מהמסגרת לתאים.

לעומת זאת, בפאנלים השוכנים בקצה הקוטב השלילי של המחרוזת קיים שדה חשמלי המעודד היגור מולקולות בין המסגרת והרכיבים השוכנים בינה לבין התאים. ככל שגודל מתח המחרוזת גדל, כך גם הסיכון ל־PID. סיבות נוספות להגדלת הסיכוי כוללות את הרכיבים שמהם עשויים הפאנלים, תהליך הייצור והתנאים הסביבתיים. אי אפשר לזהות PID בצורה ויזואלית, ויש צורך בבקרת עקומות ה־IV של הפאנל החשוד, צילומים תרמיים או צילומי אלקטרולומינסצנציה.

הדרך הפשוטה ביותר למנוע PID היא בעזרת עיצוב מערכת סולארית המוארקת בקוטב השלילי של המחרוזות, אך שיטה זו אינה תמיד אפשרית בגלל סוג הקונפיגורציה של המערכת. הפחתת גודל המחרוזות מפחיתה את הסיכון. קניית פאנלים איכותיים, העשויים מחומרים איכותיים ובתהליך ייצור מבוקר, מחברה המייצרת פאנלים בהתחשב בסיכון PID, מקטינה את הסיכון במערכת. פאנלים שעברו בדיקות תקן IEC62804 חסינים יחסית ל־PID.

בקניית פאנלים למערכת מסחרית או תעשייתית הכוללת פאנלים רבים, כדאי לבחור מספר פאנלים בשיטה רנדומלית ולשלוח אותם למעבדה הבודקת את חסינותם ל־PID. בנוסף, קיימות בשוק טכנולוגיות שונות המונעות היווצרות PID, כגון קופסאות PID שביכולתן לאושש פאנלים שנפגעו מהתופעה.

סיכום

ישנם סוגי דגרדציה שונים הפוגעים בתפוקת המערכת הסולארית, שחשוב לזהותם כדי לוודא שהמערכת מייצרת חשמל כמצופה. בלא טיפול, בעיית הדגרדציה יכולה להתפשט לפאנלים נוספים ולהפחית משמעותית את יעילות המערכת. באמצעות בדיקות ויזואליות, בדיקת מדגם רנדומלי במעבדה בעת קניית הפאנלים, צילומים טרמיים, וקניית פאנלים מיצרנים עם תקנים המונעים דגרדציות – אפשר לאתר ולמנוע פגיעה בתפוקת המערכות הסולאריות. במקרה של בדיקות בשטח לקביעת תקינות הפאנלים בהתאם לגילם, יש להפריך את החששות לדגרדציות בעזרת מעבדות מוסמכות עם הכלים והניסיון באיתורן.

← חזרה לכל המאמרים בתכנון מערכות ייצור חשמל