Monitoring of electrical performance and material stability of PV modules with repaired/coated backsheets

Abstract

Da Photovoltaik eine tragende Rolle bei der Energiewende spielt, ist die Zuverlässigkeit von PV Modulen besonders wichtig. In den letzten Jahren häuften sich aber Berichte über verschiedene Fehler in Backsheets, vor allem von Rissen in Polyamid Backsheets. Die betroffenen Module müssten aus Sicherheitsgründen entsorgt werden, weshalb als Alternative nach Reparaturlösungen gesucht wurde. Nach ersten Tests wurden zwei geeignete Materialien für eine Beschichtung ausgewählt, Polyurethan und Silikon, welche die Risse füllen und das Backsheet vor weiterer Degradation schützen konnten. Um die Beschichtungen auf lange Zeit zu beobachten, bauten wir ein Monitoringsystem bei einer Testanlage im Freien auf. Damit soll die Stabilität der Beschichtung und die elektrische Leistung der Testanlage erforscht werden. Dafür haben wir alle zwei Monate zerstörungsfreie Messungen mit tragbaren Geräten, mit Nahem-IR, ATR-IR, und Raman Spektrometern durchgeführt. Potentielle alterungsbedingte Veränderungen in der Oberfläche wurden mit dem Auge und einem Lichtmikroskop untersucht. Außerdem programmierte ich einen Mikrokontroller, um die elektrische Leistung der Module, die Modultemperatur und die Umweltparameter Temperatur und Einstrahlung bei der Testanlage kontinuierlich zu messen. Nachfolgende Berechnungen zeigten, dass weder die Risse noch die Beschichtung selbst (bis zu acht Monate nach dem Beschichtungsprozess) die Nennleistung und den Wirkungsgrad beeinträchtigten. Trotz kleiner Veränderungen, die bei der visuellen Inspektion nach den kalten Wintermonaten entdeckt wurden, konnte gezeigt werden, dass alle Risse noch gefüllt sind und die Reparaturbeschichtung daher noch ihren Zweck erfüllt. Außerdem zeigten die Spektroskopie-Messungen, dass beide Beschichtungen chemisch stabil sind und kein Haftungsverlust entstand. Mit dem aufgebauten Monitoringsystem sind Langzeit-Beobachtungen möglich, um festzustellen, wie lange die Beschichtung die Lebensdauer der Module verlängern kann.

As photovoltaics play a key role in the energy transition, the reliability of PV modules is crucial. In recent years, however, several backsheet failures were observed after only few years in the field, especially cracking of polyamide backsheets. To avoid disposal of these modules, which would be necessary due to safety reasons, repair solutions for the cracked backsheets were developed. First tests had identified two types of coatings based on polyurethane and silicone, which showed promising results in respect to crack filling and protection of the backsheet from further degradation. To monitor the long-term stability of the repaired modules with these two coatings in an outdoor environment (test site) we set up a monitoring system. The goal was to investigate, the stability of the coating on the backsheet as well as the electrical performance of the test site over time. To this end, we performed a non-destructive material analysis of the coatings on a two-monthly basis with portable spectrometers, NIR, ATR-IR, and Raman. Potential ageing induced changes in the surface morphology were analysed with the naked eye and with a light microscope. Additionally, I programmed a microcontroller so that the coated modules' electrical performance, their temperature and the environmental parameters ambient temperature and plane-of-array irradiation at the test site can be monitored continuously. Calculations of the nominal power and the efficiency revealed that the electrical performance of the modules was neither affected by the cracks so far nor by the applied coating within eight months after coating. Visual inspection showed some minor changes in the two coatings after the cold winter months. Nevertheless, all cracks are still sealed, so the repair coating fulfils its purpose. Additionally, the spectroscopic measurements showed that the coatings are chemically stable and do not show any adhesion loss. With the built-up monitoring system, a long-term analysis on the repaired PV modules is possible, with the aim to evaluate for how long the coating can extend the service life of modules with cracked backsheets.