Ved hjelp av en vanlig hammer tok masterstudent og COWI-ansatt Ranvei Isaksen (27) fatt på oppgaven med å teste ut hvordan defekter fra påførte slag reduserte ytelsen til solcellepaneler og om det førte til varmeutvikling.
– Det som var overraskende var at noen av referansepanelene var dårligere enn de jeg hamret på. Ytelsen til solcellepaneler vil reduseres over tid, men jeg forventet ikke at et referansepanel som fremsto som defektfritt ville fungere dårligere enn de jeg gikk inn for å skade. Panelene jeg hamret på var også svært stabile, og reduksjon i maksimum effekt var minimal, sier Isaksen.
I arbeidet med oppgaven «IR- og dataanalyse for feildeteksjon og diagnostisering av solcellemoduler», tilbrakte Isaksen flerfoldige timer på laboratorium hvor hun jobbet med solcellepaneler og en solsimulator som gir perfekt sollys.
Studerte defekter med foto
Hun er nå ansatt i bygningsseksjonen til COWI som rådgiver for energi og miljø hvor hun skal jobbe med fornybar energi i form av solenergi, energiberegninger og helhetlige miljøvurderinger. Masteroppgaven ble levert i juni i år.
– Målet for oppgaven var sammensatt. Et av målene var at jeg skulle lage en produksjonsdataanalyse som best mulig analyserer hvordan de ulike defekte solcellepanelene kunne yte relativt til referansepaneler. Dette undersøkte jeg med hensyn på tid, temperatur og innstråling.
Isaksen tok infrarøde bilder (IR-bilder) minutt for minutt og importerte bildene i et program skrevet i programmeringsspråket Python for analyse. Hun studerte også bilder med en spesiallinse (EL-bilder) for å kunne undersøke svarte områder som representerte inaktive deler av solcellen.
Øke levetid i solcelleparker
De infrarøde bildene tillot Isaksen å undersøke om defekte områder genererte noe mer varme enn de defektfrie områdene av solcellepanelet. Slik kunne hun få detaljerte bilder av de friske og de skadede områdene.
– Oppgaven kan si noe om hvordan defekter utvikler seg over tid. I store solcelleparker er solcellepanelene gjerne koblet i serier, og om du har et defekt panel vil dette gå utover ytelsen til hele strengen. Det kreves flere undersøkelser, men på sikt kan man bruke funn som dette i store solcelleparker. Hvis man vet mer om effektene av defekter kan man øke levetiden på panelene i parkene i fremtiden, sier Isaksen.
Eksponentiell vekst
– Det er så langt ikke funnet én enkelt metode som kan oppdage alle defekter, men man kan ta i bruk en kombinasjon av flere metoder, inkludert EL-bilder, solsimulator, sanntid overvåkning av kraftproduksjon, visuell inspeksjon og infrarød termografi.
Isaksen forteller om at man allerede har tatt steg for å undersøke de enkelte panelene i store parker med droner, som kan være enorme i utstrekning. Solcelleparken Mohammed Bin Rashid sør for Dubai strekker seg for eksempel over 77 km² og er blant verdens største.
Installert kapasitet av solcellepaneler har vokst raskt, og i 2019 var total installert kapasitet 586 GW, en 20% økning fra 2018.
– Veksten av solceller er eksponentielt høy grunnet reduksjon i pris til solcellepanelene på markedet og økt politisk velvilje til å fase inn fornybar energi. For å gjøre de enda mer lønnsomme er det viktig å redusere nedetid fra system- og solcellepanelfeil.
Billigere og mer effektivt
For solcellepaneler laget av krystallinsk silisium, som Isaksen har undersøkt, er det en øvre teoretisk virkningsgrad på 29,4 prosent og de fleste ligger i dag på noe under 20 %. Mye av den teknologiske utviklingen i dag går da med på å gjøre panelene lettere, samtidig som de skal gjøres mer robuste.
– Vi prøver hele tiden å lage de billigere og mer effektive, og lage tynnere solcellepaneler. Da blir de raskt utsatt for press og kan få sprekker. Hagl kan for eksempel ødelegge de, og de kan ruste om det trenger inn vann. Et solcellepanel kan også ha blitt utsatt for høyt mekanisk stress under produksjon, frakt til lokasjon, installasjon eller under bruk. Dette vil redusere generert strøm, og dermed redusere inntekt. En tidlig deteksjon av defekter og sanntid diagnostisering er derfor viktig. Dette er for å redusere kostnader og tid på vedlikehold, unngå tap og skade på utstyr og gi økt sikkerhet.
Ulike vinkler, ulik effekt
Da Isaksen hamret løs på solcellepanelene i laboratoriet fant hun også ut at de ulike vinklingene ga ulik effekt.
– Fra solcellepanelene jeg undersøkte fant jeg fra EL-bildene at om hammeren var vinklet skapte dette større sprekker, og fra IR-bildene kunne jeg se at defekte områder genererte noe høyere temperatur.
Hun så dessuten at jo flere solceller hun hamret på og påførte sprekker, jo mer ble maksimumeffekt og varme ble generert på de defekte områdene i panelene.
– Til tross for at jeg gikk inn for å ødelegge solcellemodulene, viste det seg at de var svært robuste. Det er et godt tegn for solcellemodulene vi har på markedet i dag.
Om oppgaven:
- Navn: «IR- og dataanalyse for feildeteksjon og diagnostisering av solcellemoduler», skrevet for Institutt for energiteknikk på Universitetet i Oslo i juni 2021 med veiledere Erik Marstein og Bjørn Aarseth.
- Alle de 10 solcellepanelene var multikrystallinsk silisium PV-paneler fra fire ulike produsenter
- Oppgaven har forsøkt å utvikle og vurdere en metodikk hvor man med infrarød avbildning og produksjonsdata (generert strøm, effekt og spenning) i felt kontinuerlig overvåker solcellepaneler sin temperaturgenerering og effekt produsert med kjente feil karakterisert med visuell inspeksjon, elektroluminescens bilder og IV-karakteristikk hentet med solsimulator.
- Metodikken er brukt til å analysere paneler med påførte defekter fra vinklede og flate hammerslag mot et ulikt antall solceller ulike steder på panelene. Metodikken er også brukt for å analysere substrengfeil og produksjonsfeil.
