Cómo NREL prolonga la vida útil de los paneles solares

Cómo NREL prolonga la vida útil de los paneles solares


El consorcio liderado por NREL investiga por qué los paneles solares fallan en el campo y cómo prolongar su vida útilmi

¿Qué hace un buen módulo solar? Algunas cosas son obvias: alto rendimiento energético, bajos costos y confiabilidad en el campo.

La confiabilidad juega un papel importante en el costo de vida útil y el rendimiento de los paneles y sistemas solares. Estos dispositivos semiconductores de alta tecnología tienen que generar electricidad a partir del sol, el viento, el granizo, la nieve y el calor durante 30 a 40 años.

Esperamos que los módulos se degraden lentamente y produzcan un poco menos de energía con el tiempo debido a la exposición a las condiciones exteriores a lo largo de los años. Una pregunta clave en la industria de la energía solar es exactamente cuánto se degradan los paneles solares cada año (generalmente 0,5 %-1 %) y cuándo se degradan hasta el punto de no producir suficiente electricidad (a menudo alrededor del 20 % de pérdida). de su lanzamiento original) o no está seguro.

Para los módulos construidos hoy, es probable que sean 30 años. Cada año adicional reduce el costo de la electricidad para este módulo y significa que necesitamos extraer o reciclar menos materias primas para cumplir con nuestros objetivos de energía limpia. ¿Podría la investigación elevar esa edad de jubilación a 50 años?

Establecido en noviembre de 2016 con fondos de la Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) del Departamento de Energía (DOE), el Consorcio de Materiales de Módulos Duraderos (DuraMAT) es un consorcio de múltiples laboratorios dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) con los Laboratorios Nacionales Sandia y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley como laboratorios centrales de investigación. Investigadores adicionales de múltiples universidades, compañías solares, otros laboratorios nacionales y un consejo asesor de la industria brindan perspectivas de toda la comunidad de energía solar.

Después de cinco años de investigar la confiabilidad de los paneles solares y otorgar $30 millones a proyectos de alto impacto, DuraMAT recibió $36 millones adicionales de SETO para seis años más de financiamiento a partir de 2021, mientras que el consorcio sigue enfocado en cinco objetivos principales que acelerarán un desarrollo sostenible. , transición justa y equitativa hacia la generación de electricidad sin emisiones de carbono para 2035.

Paneles solares: dónde hemos estado y hacia dónde vamos

Los módulos fotovoltaicos (PV), es decir, los módulos que convierten la luz en electricidad, existen en su forma moderna desde mediados del siglo XX.el Century, pero la tecnología ha experimentado un crecimiento explosivo en las últimas dos décadas. Y las próximas dos décadas prometen un crecimiento aún mayor para las tecnologías solares.

«Si la energía solar debe expandirse y convertirse en la tecnología omnipresente que tenemos en nuestro sistema de energía y en nuestros hogares, y responsable del 40% de nuestra generación de electricidad, las tecnologías heredadas no serán suficientes», dijo Teresa Barnes, una investigador principal de NREL y director de DuraMAT. “Los módulos fotovoltaicos deben fabricarse a una escala mucho mayor de una manera más eficiente, rentable y sostenible. Pero también necesitamos saber que estos nuevos módulos, ya sean nuevos diseños de módulos o nuevas tecnologías de celdas como celdas bifaciales o en tándem, funcionarán de manera predecible en el campo”.

DuraMAT está explorando ideas que podrían extender la vida útil de los paneles solares hasta 50 años. Y se ocupa de nuevas variaciones de tecnologías de módulos y celdas, como B. módulos bifaciales que también recogen la luz reflejada en su parte posterior, o nuevas celdas de alta eficiencia que requieren un empaque avanzado para sobrevivir más de 30 años.

Para comprender mejor cómo fallan los módulos, DuraMAT ha desarrollado pruebas de estrés aceleradas basadas en las condiciones ambientales en diferentes zonas climáticas. Estas pruebas se combinan con un poderoso análisis forense de ciencia de materiales (piense en CSI, pero para módulos fotovoltaicos degradados) y modelos físicos detallados de estas fallas para comprender mejor qué causa la degradación del módulo, con el objetivo final de predecir cuándo fallarán. Para colmo, DuraMAT recopila los datos resultantes en un depósito central de datos compartidos y aplica sus conocimientos para desarrollar enfoques nuevos y creativos para mejorar la vida útil del módulo.

El objetivo final es predecir mejor cómo funcionarán los nuevos materiales y diseños de módulos y generar confianza de que durarán más de 30 años en el campo a pesar de nuestra falta de datos de campo a largo plazo para nuevas tecnologías. Los datos de campo muestran que las tecnologías fotovoltaicas más antiguas son duraderas. DuraMAT aplica este conocimiento para hacer predicciones más precisas sobre tecnologías más nuevas.

Paneles solares: detalles de la degradación del sudor

Uno de los logros más célebres de DuraMAT es el uso de pruebas de esfuerzo aceleradas combinadas. Las pruebas de estrés convencionales exponen los paneles solares a una variedad de factores estresantes, como el calor, la humedad o la luz solar, pero solo uno o quizás dos a la vez. Sin embargo, algunas de las fallas observadas en los módulos de campo no se reproducen fácilmente en estas pruebas de estrés tradicionales, posiblemente debido a que la combinación de condiciones exteriores estresa los módulos: calor, luz y voltaje a menudo ocurren juntos en días soleados, o viento y lluvia durante una tormenta. . Los investigadores de DuraMAT han descubierto que los factores estresantes a menudo deben aplicarse en combinación para obtener resultados relevantes en el campo más rápido.

Una captura de pantalla de un video filmado por el investigador del NREL, Peter Hacke, muestra el interior de una de las cámaras de prueba aceleradas combinadas en Golden, Colorado. Los anillos de «rosquilla» empujan periódicamente los módulos hacia abajo y los flexionan para tensarlos mecánicamente a medida que la cámara los expone al agua, el calor, el frío, la tensión eléctrica y la luz ultravioleta.

Si bien las pruebas de estrés combinadas no son una idea completamente nueva, DuraMAT las ha llevado a un nuevo nivel. En cámaras controladas en las instalaciones de prueba al aire libre de NREL, los módulos fotovoltaicos están sujetos a múltiples factores estresantes, como B. Temperaturas extremas (tanto calientes como frías), empapadas con agua y luz ultravioleta para simular en unas pocas semanas o meses lo que ocurre al aire libre durante años.

Otras pruebas están diseñadas para simular otras tensiones, por ejemplo, cómo años de exposición al viento podrían propagar grietas en las células fotovoltaicas (vea el video a continuación). Luego, DuraMAT combina esta información con modelos de computadora y análisis de materiales microscópicos de paneles solares que han fallado en el campo para comprender mejor los mecanismos que causan esas fallas.

Jóvenes científicos prueban que funciona

Uno de esos esfuerzos fue dirigido por un equipo de investigadores en etapa inicial: DuraMAT se enfoca en oportunidades para investigadores en etapa inicial. El equipo combinó la experiencia y las fortalezas de varios laboratorios nacionales para desarrollar un método para predecir qué materiales de la lámina posterior se romperían en el campo en base a pruebas aceleradas. La industria experimentó una gran cantidad de fallas de módulos (alrededor de 10 gigavatios) debido a un nuevo material de lámina posterior que se usó ampliamente entre 2010 y 2015. Este material comenzó a agrietarse después de algunos años en el campo, aunque pasó todas las pruebas de calificación estándar de la industria.

Una lámina posterior es la capa inferior de un módulo solar que encierra la parte posterior del módulo y, a menudo, está hecha de materiales poliméricos (plásticos). Esta capa proporciona aislamiento eléctrico crítico e integridad mecánica a un módulo, y la falla del material obligó a los diseñadores de PV a reemplazar los módulos con la lámina posterior «defectuosa». (La industria fotovoltaica también tiene varios materiales de lámina posterior «buenos» establecidos que han resistido la prueba del tiempo).

El uso de láminas posteriores buenas y malas conocidas permitió al equipo de DuraMAT desarrollar un método para validar nuevas secuencias de prueba. Al combinar esta secuencia con técnicas avanzadas de análisis de materiales, el equipo pudo comprender por qué las láminas posteriores fabricadas con el material «malo» fallaban tanto a nivel químico como mecánico. Al comparar las muestras que fallaron en las pruebas de estrés combinadas con los módulos fallidos en el campo, el equipo de investigadores junior confirmó que las fallas en las pruebas de estrés son consistentes con este tipo de fallas en el campo. Ahora, el equipo está investigando otros tipos de materiales y diseños de módulos, incluidos métodos de selección para desarrollar nuevos materiales de lámina posterior y estudiar módulos con láminas posteriores de vidrio.

«DuraMAT, la forma en que está estructurado, es único en su capacidad para producir investigadores en etapa inicial», dijo Laura Schelhas, quien se unió al equipo como investigadora junior en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y desde entonces se unió a NREL como directora ejecutiva de DuraMAT. segunda fase. “DuraMAT permite a los investigadores en etapa inicial probar suerte en proyectos como investigadores principales y les brinda una experiencia en elaboración de informes, gestión de proyectos, dotación de personal y elaboración de presupuestos que realmente habla del desarrollo profesional de los investigadores con menos experiencia. El proyecto Backsheet fue un gran ejemplo de cómo funciona esto: hemos recibido muchos lanzamientos altamente colaborativos. Los investigadores en etapa inicial han sido invitados a conferencias para presentar su trabajo y algunos se han trasladado a puestos de personal dentro de NREL y otros laboratorios”.

¿Qué sigue para DuraMAT?

Después de comenzar hace cinco años, la próxima fase de seis años de DuraMAT tuvo un buen comienzo. Muchos proyectos ya han sido adjudicados de los $36 millones en financiamiento total disponible para el trabajo de la segunda fase del consorcio.

«Gran parte de nuestra investigación continúa centrándose en la confiabilidad y la durabilidad en toda la cartera de tecnología comercial», dijo Barnes cuando se le preguntó hacia dónde se dirige DuraMAT. “Ahora estamos cambiando nuestro enfoque hacia métodos predictivos de prueba y modelado, que nos permiten evaluar de manera más rápida y precisa la confiabilidad de las nuevas tecnologías. La energía solar debe seguir mejorando, y los ciclos de desarrollo de productos pueden ser mucho más rápidos que los ciclos de prueba de confiabilidad. Necesitamos encontrar una manera de evaluar la confiabilidad y la durabilidad al mismo ritmo que el desarrollo del producto a medida que la industria crece rápidamente”.

Es un objetivo ambicioso, pero la comunidad de DuraMAT ahora tiene como objetivo comenzar a predecir la vida útil del módulo y cómo esto podría afectar la cadena de suministro de material del módulo solar. Impulsado por la física del fallo y la física de los mecanismos de degradación, se pondrá más énfasis en el modelado predictivo de la vida útil, lo que permitirá una mayor investigación y la posible comercialización de módulos con una vida útil de 50 años.

«Estamos tratando de pasar a un modo de investigación de confiabilidad en el que apuntamos directamente a módulos que duran 50 años», dijo Barnes. “Estamos muy enfocados en módulos con altos rendimientos energéticos y su producción sostenible. Sabemos que habrá importantes impactos materiales y energéticos si aceleramos el despliegue tan rápido como sea necesario para la transición energética. Pero nuestra pregunta es: ‘¿Cómo podemos hacer esto de una manera que sea ambientalmente sostenible y nuestra cadena de suministro pueda seguir el ritmo?’”

«En esta fase, nos esforzamos por lograr la misma alta calidad de investigación, pero en mayor cantidad», dijo Schelhas.

Puede encontrar más información sobre DuraMAT en su sitio web o en el último informe anual.

Artículo cortesía del Laboratorio Nacional de Energías Renovables. Por Cassidy Gamble


 

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