Новая технология позволяет измерять степень проникновения воды в фотоэлектрические модули без их демонтажа

Аккумулятор FIAMM FG 20201

Немецкая исследовательская группа разработала неразрушающий метод количественной оценки проникновения воды в фотоэлектрические модули с помощью спектроскопии поглощения в ближней инфракрасной области (NIRA), откалиброванной с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT). Этот метод позволяет точно измерить абсолютное содержание влаги в герметичных модулях без их демонтажа, что упрощает проверку, анализ неисправностей и прогнозирование срока службы.

Немецкая исследовательская группа разработала новый неразрушающий метод количественной оценки попадания воды в солнечные модули на месте установки. Метод основан на использовании спектроскопии поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRA), откалиброванной по абсолютному содержанию воды, измеренному с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT). Это позволяет инспекторам определять уровень влажности внутри модулей, не вскрывая их.

«Эта методика неинвазивна, не требует внесения изменений в спецификацию, например установки дополнительных датчиков, и может применяться к модулям, установленным в полевых условиях, при условии предварительной калибровки, — рассказал автор исследования Антон Мордвинкин. — В отличие от традиционных подходов, она не опирается на такие допущения, как закон Генри, или на приблизительные оценки изменяющихся барьерных свойств или неопределённостей, связанных с внутренним микроклиматом модуля».

По словам Мордвинкина, этот подход закладывает основу для более точного моделирования проникновения влаги и повышает надежность прогнозирования срока службы модулей. «Он дает производителям полезную информацию для оптимизации конструкции и сертификации продуктов, устойчивых к механизмам деградации, вызванным воздействием влаги, в том числе к деградации, вызванной воздействием влаги (mid-induced degradation, MID) и деградации, вызванной воздействием электрического поля (potential-induced degradation, PID), особенно в сложных условиях, например в плавающих фотоэлектрических системах и в тропическом климате, а также при использовании новых технологий, таких как тандемные элементы», — добавил он.

Он также отметил, что этот метод позволяет улучшить контроль за солнечными электростанциями, выявляя модули с недостатками изоляции и поддерживая целенаправленные меры по их устранению. «Эти достижения напрямую способствуют повышению ликвидности активов и создают прочную техническую основу для будущих процессов гарантийного обслуживания и восстановления», — сказал он.

Картографирование и эволюция проникновения воды

Новый метод предполагает воздействие на полимерные материалы, которые обычно используются в фотоэлектрических модулях, различными уровнями влажности в ходе испытаний на влагостойкость. Затем каждый образец исследуют с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (NIRA), которая позволяет обнаружить воду по ее сильному поглощению инфракрасного излучения. Однако, поскольку NIRA дает лишь относительный результат, те же образцы впоследствии анализируют с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT) — метода, при котором материал нагревают и точно определяют количество выделившейся воды. Сопоставив сигнал NIRA с абсолютным содержанием воды, определенным с помощью метода КФК, исследователи построили калибровочные кривые для каждого материала.

Среди протестированных материалов — герметики, такие как этиленвинилацетат (ЭВА), полиолефиновый эластомер (ПОЭ), термопластичный полиолефин (ТПО) и термопластичный полиуретан (ТПУ), а также подложки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), полипропилена (ПП), полиалюминий-полиамида (ПАП), поливинилиденфторида (ПВДФ) и ПЭТ с фторированным покрытием.

Рабочий процесс нового метода

После калибровки портативное устройство для спектроскопии NIRA можно использовать непосредственно на установленных модулях. Чтобы продемонстрировать эту возможность, исследовательская группа протестировала мини-модули с подложками из ПЭТ и полипропилена в условиях повышенной влажности и температуры, полимерные образцы, подвергшиеся ускоренному старению под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения и влаги, модули, установленные на крышах, с потрескавшейся подложкой и следами от улиток, а также извлеченные из эксплуатации модули с потрескавшейся и неповрежденной подложкой из арамидного волокна, чтобы сравнить реальное воздействие влаги и степень деградации.

Тесты показали, что модули на основе полиэтилентерефталата впитывают больше воды, чем модули на основе полипропилена. В ходе полевых исследований было установлено, что в модулях с поврежденным задним листом и ячейками содержание воды было на 50 % выше, а модули с поврежденным задним листом из арамидного волокна впитывали воду в десять раз быстрее, чем неповрежденные модули.

«В ходе исследования было установлено, что улучшенные барьерные свойства полипропилена обусловлены в первую очередь его меньшей растворимостью в воде, в то время как коэффициенты диффузии у обоих материалов сопоставимы, — говорит Мордвинкин. — Это дает более подробное механистическое объяснение ранее наблюдавшимся различиям и согласуется с тенденциями, описанными в литературе».

«Еще одно особенно важное наблюдение — неоднородное распределение влаги в модулях с сильно поврежденным тыльным покрытием после более чем семи лет эксплуатации на открытом воздухе, — добавил он. — Локальное скопление влаги значительно усиливалось в местах с микротрещинами в ячейках, которые коррелируют с визуально заметными следами от улиток. Это указывает на взаимосвязь между механическим повреждением и локальным проникновением влаги».

Новый метод был представлен в статье «Неразрушающий количественный анализ проникновения воды в фотоэлектрические модули с помощью спектроскопического и химического анализа для повышения качества и контроля на месте эксплуатации», опубликованной в журнале Progress in Photovoltaics: Research and Applications. В исследовании приняли участие ученые из немецкого Центра кремниевой фотовольтаики Фраунгофера (CSP), Института микроструктур и систем Фраунгофера (IMWS) и Исследовательского центра Юлиха.