Solar module characterization via visual inspection in the field, I-V curve and thermal-image analysis

Abstract

El desierto de Atacama anida abundantes recursos naturales en sus 105.000 km2. Éste contiene las reservas más grandes de cobre y productos no metálicos del mundo, y los niveles mundiales de irradiancia más altos con un promedio anual de 2.500 kWh/m2 de Irradiancia Horizontal Global (GHI), 3.500 kWh/m2 de Irradiancia Directa Normal (DNI) y de 4.000 horas de sol. A pesar de tener muchas ventajas, también presenta desafíos importantes. A modo de ejemplo, se sabe que las dosis anuales de UV-B en el desierto de Atacama son cerca de un 40% más altas que las típicas del norte de África. Esta parte del espectro no genera más electricidad y podría perjudicar los materiales utilizados en los módulos fotovoltaicos (FV), reduciendo su vida útil. Por ende, un módulo vidrio/vidrio (bifacial) especialmente diseñado para nuestro desierto es parte de la I+D+i FV en el programa solar nacional. Para materiales y diseños de módulos FV ya existentes, datos acerca de observaciones sobre su degradación son variables en su nivel de detalle, consistencia, calidad y significancia estadística. Además, la información disponible acerca de fallas típicas de módulos FV instalados en el desierto de Atacama es escasa o inexistente. A partir del contexto señalado, el objetivo principal de esta tesis es diseñar e implementar una herramienta de inspección para recolectar datos (IDCTool, por sus siglas en inglés), con el fin de evaluar módulos FV que operan en condiciones climáticas desérticas y caracterizarlos. La propuesta se basa en el estado-del-arte de prácticas en terreno junto con la definición de un conglomerado de criterios para su uso en soluciones FV de baja escala. Su implementación incluye el desarrollo de una encuesta, equipos y herramientas; y procedimientos para pruebas en terreno y análisis. IDCTool fue usada para una campaña en la región de Arica y Parinacota, la que es representativa de climas desérticos. Los resultados obtenidos fueron analizados de acuerdo con el procedimiento propuesto. La propuesta metodológica de esta tesis se validó mediante la campaña de Arica. Los 15 sitios visitados (comuna de Arica) fueron clasificados en 4 zonas: la costa, el centro de la ciudad, el valle y el desierto. Durante la campaña se inspeccionó 95 módulos FV, de los cuales se encontraron 9 fabricantes distintos. Los módulos operando por más tiempo llevaban 13 años instalados, los más nuevos llevaban 2 años. Todos los módulos inspeccionados estaban compuestos por un vidrio frontal, una lámina polimérica trasera y marco de aluminio. Según los resultados, no se presentaron fallas en cables, conectores ni celdas solares. La falla más típica fue el efecto soiling con 52 casos de soiling ligero y 39 de soiling fuerte. Otras fallas típicas fueron corrosión menor de la puesta a tierra (18 casos) y corrosión del marco (12 casos). En relación a los parámetros eléctricos, la mayor degradación se observó en la potencia nominal con una caída máxima de 39,08% y una caída promedio de 13,19±6,22%. En relación a la diferencia de temperatura de operación de los módulos FV con respecto a la temperatura ambiente, la mayor diferencia fue 24,45°C con un promedio de 11,67°C. Se encontró que la celda más caliente de todo el universo inspeccionado operaba a 99,4°C, mientras que en promedio las celdas más calientes operaban a 64,0°C. Con respecto a las anormalidades térmicas, se encontraron 2 módulos FV con patrón PID y 12 módulos mostraron celdas homogéneamente muy calientes. El trabajo realizado indica que la herramienta desarrollada, incluyendo la metodología para el análisis, entrega datos en formato estándar capaces de caracterizar módulos FV. Los datos analizados fueron estudiados mediante sus tendencias con el uso de herramientas estadísticas. Por ende, fue posible realizar conclusiones y recomendaciones. A pesar de esto, y debido a la falta de módulos inspeccionados, los fenómenos encontrados durante la campaña no pueden ser generalizados. En efecto, nuestro análisis no está validado por evidencia estadística sólida. En este contexto, el desarrollo de una base de datos significativa, mediante el uso de la IDCTool, será el mejor conjunto de datos como punto de partida para comenzar a hacer recomendaciones concluyentes para desarrollos en el ámbito FV.