PV Dayanıklılık ve Güvenilirlik Sorunları
Hiçbir kısaltılmış test programı bir modülün 25+ yıl performans göstereceğini % 100 kesinlikle tahmin edemez. Geliştirilmiş bir metodoloji ile çevresel koşullar ve hızlandırma faktörleri uygulanarak çok daha uygun bir tahmin sistemi kurulabilir.
Fotovoltaik (PV) endüstrisi, saha koşullarına 25 yıl dayanabilecek PV'lere ve bu dayanabilirliği belirleyecek güvenilir yöntemlere ihtiyaç duymaktadır. Bu yöntemler (anahtar güvenlik meseleleri haricinde) sadece ürün geliştirme ve garanti etmenleri için değil, finansal paydaşların risk analizleri ve ekonomik uygulanabilirlik için de önemlidir.
Her ne kadar IEC ve UL gereksinimleri gibi PV ön kalifikasyon testleri olsa da, bu tip testler uzun dönem performansın ölçülmesi için ne yeterli ne de kullanışlıdır. Sonuç olarak, Hizmet Ömrü Tahmini (SLP) konusundaki Hızlandırılmış Ömür Testi (ALT) ve Hızlandırılmış Ortam Testi (AET) uygulamalarında gelişmeler olmuştur.
25 Yıl ve Daha Sonrası
İlk olarak güvenilirlik kelimesi ile ne anlatmak istediğimizi tanımlamamız gereklidir. Basitlik açısından, bir PV modülünün arızalanmasını kullanım ortamında 30 yıl sonra güç çıktısının % 20 düşmesi olarak tanımlayacağız. Ayrıca 'yüksek ihtimal' ibaresi sahadaki PV modüllerinin % 95'inin bu başarıyı göstermesi demek olacaktır.
Çoğu PV ürünü için, kabul edilemez performansa veya arızaya neden olan birçok ek konu vardır. Açıkça belirtmek gerekirse, yaşlandırmadan sonra güvenlik, can ve malın korunmasında kritik bir mesele olarak gelmektedir. Özellikle bina ile tümleşik fotovoltaiklerde (BIPV), uygulanabilirliği etkileyecek estetik ile ilgili kritik konular(ki bu konular güç üretimi ile alakası olmak zorunda değildir) olabilir. Bir BIPV modülü Mojova Çölü'nde renk atar ise bunu kimse umursamaz, fakat bu renk atma bir bina cephesinde gerçekleşirse herkes bunu kafasına takabilir (estetik başarısızlık yüzünden en azından bir BIPV üreticisi kepenk kapatabilir)
2008 yılında Enerji Departmanı'nda gerçekleştirilen 'Fotovoltaiklerde Hızlandırılmış Yaşlandırma ve Güvenilirlik Çalıştayı II'de, Akira Terao (Sunpower Corp.) olgunlaşmış c-Si modüllerinde bile hala güvenilirlik problemleri olduğuna dikkati çekmiştir:
· 25 yıl garanti. Bir şirket 25 yıl garantiyi verebileceğini nasıl kanıtlar'
· Yanlış tanımlanmış saha koşulları. Farklı koşullarda çalışan aynı modüller için aynı sürelik garanti verilmelidir.
· Sert ve değişken dış koşullar.
· Limit değerlerinde kullanılan malzemeler. Limitlerinde kullanılan malzemeler üzerindeki etkinin nasıl hızlandırılacağı.
· Sınırlı hızlandırma faktörleri. Endüstri uzun testlere güvenmelidir. Uzun süren testler piyasaya sunumu geciktirebilir.
· Birikimli etkiler, pozitif geri besleme döngüleri. Sahadaki tüm etkileri belirleyip test etmenin zorluğu.
Güvenilirlik mühendisliğine en güzel yaklaşımlardan biri, arızaların fiziğini belirlemek için Standard Weibull Banyo-Küvet Eğrisi'nin kullanılmasıdır.
John Wohlgemuth (BP Solar) bu konuya şu şekilde değinmektedir: 'Bugün BP Solar, kristal silikon PV modüllerinin birçoğuna 25 yıl garanti vermektedir. Modüller dış havaya maruz bir şekilde 25 yıl dayanmalıdır fakat bu modüllerin nasıl performans gösterdiğini görebilmek için 25 yıl bekleyemeyiz. Kaldı ki hiçbir BP/Solarex modülü 25 yıldır sahada değildir ' en eski modeller olan 20 yıl garantili tipler bile sadece 15 yıldır sahadadır'.
Woghlemuth ekliyor; 'PV modüllerinin hızlandırılmış gerilme testleri aşağıdakileri içermektedir:
· Isıl döngü,
· Nem-donma
· Yaş sıcaklık
· Statik ve dinamik mekanik yükleme ve
· Ultraviole Işığa maruz bırakma?.
PV Teknolojileri ile İlgili Güvenilirlik Konuları
NREL'den Dr. Sarah Kurtz'un monografisinden direk alıntı yapılınca şunlara ulaşılır:
'PV teknolojileri arasındaki genel güvenilirlik meseleleri şunlardır:
1. Paslanma kaynaklı topraklama kaybı,
2. Kısa konektör güvenilirliği,
3. Yanlış yalıtım kaynaklı topraklama kaybı,
4. Yapraklanma,
5. Cam kırılması,
6. Bypass diyotu hatası,
7. İnverter güvenilirliği,
8. Nem girişi.
Bunlara ek olarak spesifik teknolojilerin kendilerine özel problemleri vardır, bunları da şu şekilde sıralayabiliriz:
· Silikon Levha: Işık kaynaklı hücre bozulması, ön yüzey lekelenmesi, camın kapsülleme performansı üzerine etkisi, düşük adezyon kaynaklı paslanma ve/veya yapraklanma, busbar adezyon bozulması, bağlantı kutusu arızası.
· İnce Film Silikon: SnO2' nin elektrokimyasal korozyonu, birincil ışık bozunması,
· CdTe: iç tabaka adezyonu ve yapraklanma, SnO2:F'in elektrokimyasal korozyonu, gerilme sonrası şant çizgilerinde sıcak noktalar.
· CIS: iç tabaka adezyonu, busbar mekanik ve elektriksel adezyonu, TCO'nun neme yüksek hassaslığı, pakete nem girişi
· OPV: fotolitik kararsızlık, nem kaynaklı bozunma, pakete nem girişi'.
Genellikle insanlardan IEC 61215 veya 61646 kalifikasyon testlerinin geçilmesinin, ürünün dayanıklı ve güvenilir olduğunu kanıtladığını duyarız. Bu doğru değildir. Birçok ALT testi gibi, IEC ortamsal stres testi protokolü de yukarıda referans verilmiş olan banyo küvet eğrisinin bebek ölümü evresini test etmek için tasarlanmıştır. (Şekil 1) Bu da doğanın modüle verdiği gerçek gerilimi yeteri kadar yansıtamaz.
Ürün, ömrü boyunca birikimli hasar modeline göre performans niteliklerini kaybeder. Uzun bir periyoda yayılmış (ve günlük ve mevsimsel döngülerden etkilenen) sürekli hasar (ısıl, fotolitik, mekanik, hidrolitik v.b.) ağır bir hasara sebep olmaktadır.
Wohlgemuth'a göre 'Kalifikasyon testleri de önemlidir, ama tasarımları gereği gerilim seviyeleri sınırlıdır. Bu yüzden, kalifikasyon testlerinin geçilmesi ürünün bir dizi gereksinimi karşıladığı anlamına gelirken, ne hangi ürünün uzun dönem için daha iyi olduğunu söyleyebilir ne de ürünün yaşam süresi hakkında bir tahminde bulunabilir.
Güvenilirlik ve Dayanıklılık
Klasik güvenilirlik testi; öncelikli olarak, arızaya kadar geçen zaman, arızalar arası ortalama zaman, 'n' birim veya işlem başına düşen arıza sayısı gibi, açık arızanın belirlenmesi ile ilgilenir.
Bu araştırmada, Hızlandırılmış Ömür Testi (ALT, Yüksek Derecede Hızlandırılmış Ömür Testi [HALT], Yüksek Derecede Hızlandırılmış Gerilme görüntüleme [HASS]) metotları kullanılır.
Genel metodoloji, gerçek kullanım şartlarından daha yüksek (bazen önemli oranda yüksek) seviyede (ama daha kısa zaman periyotlarında) gerilim uygulayarak uzun süredeki performansın tahmin edilmesidir. Bu metodoloji, doğal kullanımda ortaya çıkmayacak hasarlara neden olma ihtimalini taşır fakat hasar şekilleri ve ürün dayanıklılığı üzerine yapılan çalışmalar için oldukça faydalıdır.
Bir diğer ALT yaklaşımı ise normale yakın gerilimi çok daha kısa zaman periyodunda uygulamaktır. (Bir kapı menteşesinin açılıp kapanması gibi). IEC testleri çoğunlukla ilk yaklaşımı kullanır. Örneğin 85 oC sıcaklık ve % 85 RH nem seviyesi asıl çalışma koşulları adına pek de gerçekçi değildir. Bunun gibi ALT yaklaşımlar daha çok mekanik kaynaklı tekil gerilme arızalarında daha iyi sonuç vermektedirler ve genelde tepki; bozunmanın dizgisel veya üst üste binen mekanizmalara dayalı olduğu kimyasal değişimlerden ötürü doğrusal olmamaktadır.
Fakat dayanıklılık testi başlıca, ürünlerin gerçekçi gerilme değerleri ile yüklenmesi sonucu uzun dönem performanslarını, arıza sebeplerini, performans oranlarını ve malzeme kayıplarını v.b. inceler. Malzeme kaybı veya ürün dayanıksızlığı ciddi arızaya neden olabilir (örneğin güvenilirlik kaybı). Bir diğer kritik 'ortama dayanıklılık' testi ise hava ve iklimin birbiri ile bağımlı, sürekli değişen, uzun ve kısa dönemli etkileridir (ki bu etkileri test ekipmanları ile yaratmak oldukça zordur).
PV'lerde 'güvenilirlik' genellikle, yılda % 1'den daha yüksek ve toplamda % 20'yi aşmayan güç üretim kaybı anlamına gelmektedir.
Ardışık Yaklaşım
Otomotiv ve bina endüstrisi gibi birçok diğer endüstri kolu, hava koşullarına dayanıklılık testleri için genel bir test yaklaşımı üretmişlerdir. Bu endüstri kollarının ömür süresi beklentileri veya ürün komplekslikleri PV teknolojisinden daha az olmasına rağmen beklentiler benzerdir. Gelişme şu şekildedir:
· Uygun ürünlerin seçilmesi için malzeme seviye testleri
· Madde ' madde etkileri ve işlem değişkenleri için bileşen bazlı testler
· Taşıma ve kurulumu da içeren, nihai tasarımın ve üretimin test edilmesi için ürün seviyesi testleri
PV modül dayanıklılığını değerlendirebilmek için, genellikle tasarım hatası biçim ve etki analizi (FMEA veya FMCEA ' hata biçimleri, etkileri ve kritik analiz) yapar ve buna bir madde seviyeli analiz ekleriz. Bu yaklaşım özgün potansiyel hata biçimlerinin anlaşılmasına yardım ederken test sonuçlarının yorumlanmasını sağlayan test metodolojisinin optimize olmasına imkan veren bir test öngörüsüdür.
Daha sonra, özellikle polimetrik malzemelerin (konektörler, kapsülleyiciler vb.) dayanıklılığının belirlenebilmesi için madde seviyeli testler işleme konulur. Bileşen seviyeli ya da üretim öncesi ünite testlerini işleme koyarız. Bu test seviyesi, laminasyon koşulları gibi işlem değişkenlerinin veya adezyon veya kenar contalama gibi problemlerin belirlenmesinde faydalı olabilir. Diğer adım ise ram modül (veya ürün, BIPV gibi) testidir.
Geliştirilmiş Bir Test Rejimi
Günümüze kadar, birincil modül dayanıklılık testleri, IEC kalifikasyon testlerinin daha uzun süre uygulanmasına (daha uzun saatler veya çevrimler) anlamına gelmekte idi. Birçok PV malzemesi ve modül üreticisi üzerine yapılmış yıllar süren geniş çaplı çalışmalarımız, dünya çapında laboratuvarlarda ve test sahalarında karşılaştığımız milyonlarca malzeme ve ürünü de kapsayan bakış açımıza göre, bu yaklaşımın birçok arızası vardır.
Kuvvet hata biçimleri üzerine çalışmak ALT testleri için faydalı olsa da uzun dönem hava koşullarına dayanıklılığın tahmin edilmesinde gerçekçi bir yaklaşım değildir. Çünkü ürünün aynı anda maruz kaldığı gerilme çeşidini sınırlandırmakta (nem veya güneş etkisi olmadan ısıl döngü) ve bu gerilme seviyeleri son kullanım yerindeki iklimden kaynaklanan gerilmeleri temsil edememektedir. Bu da doğal ortamın kompleks kısa ve uzun dönem gerilme çevrimlerini tam olarak yansıtamadığı anlamına gelmektedir. Hava koşulları dayanıklılık testinde kural, doğadan farklı bir test yapıp, farklı bir sonuç almaktır.
Hava koşulları test modüllerini 25 yıl ve üzeri dayanıklılığını tahmin edebilmek için, Atlas bir test metodolojisi geliştirmektedir. Temel karakteristikler şu şekilde sıralanabilir:
· Parametreler, PV'lerin en yaygın olarak kullanıldığı üç iklim bölgesine göre düzenlenir. Kuru çöl, tropikal/subtropikal, kuzey/sıcaklık ve tüm bunların küresel bir karışımı sınır koşullarını belirler.
· Ek test düzenleyiciler, kentsel/endüstriyel (örneğin hidrokarbonlar, is), kum/kir, asit yağmuru, mekanik yükleme ve kıyı/liman etkileridir.
· Birden fazla gerilmenin birleştirilerek (örneğin birleştirilmiş nem ve sıcaklık etkisi) doğal ortamın daha iyi simülasyonu elde edilir.
· Korozyon, yoğuşma nemi, termal/nem/donma/güneş/dış ortam güneş izleme UV ön şartlandırması gibi testler ardışık olarak uygulanır.
· Periyodik görsel incelemeler, I-V eğrisi ölçümleri ve ısıl görüntüleme kullanılır.
Çeşitli hızlandırılmış Ortamsal Test (AET) cihaz ve tekniklerinin kullanılması, iklime özel gerilme seviyelerinin kullanılması doğal ortamın etkisini yansıtır. Bu metodoloji IEC kalifikasyonlarından önce, beraber veya sonra kullanılabilmektedir.
Sonuç
Kompleks ürünlerin hizmet ömürlerinin tahmin edilmesi genelde elde edilmesi zor olan veri ve tekniklere gereksinim duyan ve yeni gelişen bir disiplindir. Bu metodoloji gerçek hizmet ömürlerini tahmin etmekte yetersiz kaldığında 95 yıldır mevcut bulunan deneycilik tekniğinin pratik sonuçlar verdiği görülmüştür. Hiçbir test programı (25 yıl gerçek zamanlı test etme haricinde) bir modülün 25+ yılda nasıl bir performans göstereceğini % 100 kesinlikte tahmin edemez. Bunun için gerçek ortam koşullarını yaklaşık olarak simüle edebilen ve bunu kabul edilebilir hızda yapabilen bir sisteme gereksinim duyulmaktadır. Ancak böyle bir sistem ''Benim PV modülüm 25+ yıl yaşayabilecek mi?" sorusunda cevap verebilir.
Alen Zielnik, ön lisans derecesini DeVry Üniversitesi elektronik mühendisliğinden, BS derecesini de Michigan State Üniversitesi Kimya Bölümü'nden almıştır. Atlas Material Testing Technology Solar Enegry Competence'in baş danışmanı konumundadır.