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EL檢測技術介紹


EL檢測技術介紹

 


 

EL檢測是一種用來檢查太陽能電池片缺陷的檢測方法,小至單片電池,大至模組陣列,都可以使用。目前太陽能模組在生產過程中已經100%全檢,電站的模組陣列檢測也逐漸普及。

但是究竟什麼是EL檢測?它又能檢測到什麼問題?

 

EL檢測原理

EL檢測的英文全名是Electroluminescence,中文可翻為「電致發光」,一般業界簡稱為EL

EL檢測的時候,要對模組(或電池片)通電,當電流流過電池片,會發出近紅外光,就像LED晶片有通電就會發光。只不過太陽能電池片所發出的是不可見光,所以需要用特別的相機才能拍攝EL影像。要注意的是,EL檢測通常要在暗房中進行。若是做系統檢測,白天陽光中含有太強的背景光,因此無法在白天拍攝EL影像,必須等到天黑在黑暗中才能拍攝。國外有開發可以在白天拍攝的設備,但是設備與拍攝成本較高,適合特殊狀況使用。

下圖是一個EL影像的例子,照片中黑暗不發光的區域就是電流無法到達的區域,該區域被裂縫完全包圍封閉,也就是說在陽光下該位置所發的電也無法傳出來使用。因此,EL影像裡黑色的「壞死區」可以當作是無法發電的區域,而顏色較灰暗的「未完全壞死區」,跟週邊仍然有微微相連,少量電流可以通過,表示在陽光下可發電但傳出時會有損失。至於黑色裂紋狀的線條,表示電池片有破裂,但是裂縫兩側還互相接觸,所以電流仍然可以通過。這種裂紋是肉眼不可見的,所以又稱為「隱裂」。隱裂通常會隨時間而成長變長,裂縫也會越來越分開,導致發電損失逐漸增加。

更多隱裂的說明,請見此篇:

隱裂的成因與對策http://solar543.blogspot.com/2017/05/microcrack.html

 


 

EL可檢測的問題

除了上述的隱裂與「壞死區」之外,EL還可以看到其他特殊的缺陷問題。以下是常見的範例:

1. PID (電壓導致衰退Potential Induced Degradation

在太陽能系統中,模組會串聯到1000~1500V,在高壓端的模組容易有PID問題,導致功率快速衰退達,嚴重時可達50%以上。但是PID有個特色就是具有可逆性,透過特殊的設備可以將PID衰退的模組恢復到原來的90%以上。透過EL檢測,可以在很早期就發現PID問題,甚至發電都還沒有明顯下降時,就可以診斷出PID。而如果等到發電明顯減少時才發現,通常已經因為PID嚴重而累積龐大損失。早期發現早期治療PID,是EL最有效益的用途之一。

更多關於PID說明,請見此篇http://solar543.blogspot.com/2018/07/pid.html

 


 

2. 旁路二極體短路

旁路二極體故障通常變為短路,在EL影像中會呈現整串電池片不發光(如下圖)。通常一個二極體短路就會損失1/3個模組效率,但是模組串/併聯後,損失會進一步放大。此種缺陷因為電壓變化小,在監控系統中常被當作是電壓量測誤差而難以發現。但是用EL可以很容易發現,而且可以看出缺陷模組是哪一片,有助於快速維修更換。


 

3. LID(光致衰退Light Induced Degradation

模組安裝後開始接受陽光照射,會有一段初始功率衰退,大約曬太陽一個禮拜後達到平衡就不會繼續衰退,這種初始衰退就是LID。衰退的幅度因電池片而異,各家使用的材料、製程不同,衰退的幅度也不太一樣,嚴重的可能會衰退到10%以上。還好現在電池片廠大都有去除LID的製程,所以大部份衰退都在3%以下,但是偶爾還是會遇到處理不當的狀況,導致系統功率嚴重衰退(下圖)。EL影像會看到某些電池片特別暗,因為功率衰減的幅度比其他電池片更大。


 

4. 模組先天缺陷

模組出廠時可能帶有先天缺陷,因為製程或材料問題,造成各種奇形怪狀的EL影像。例如下圖的焊接不良,這種焊接缺陷與製程不當有關,而且這種缺陷的壞死區域會因為熱脹冷縮而繼續成長,造成功率持續下降。


 

ELIR檢測的差異

ELIR都是太陽能模組的檢測工具,但是功能不盡相同。在此用以下的模組試驗來說明兩者的差異,下圖是同一片模組用ELIR拍攝,然後把ELIR影像重疊,比較結果如下:

(1) EL可以看到每一條隱裂與壞死區,但是IR只能看到大範圍的溫度變化。

(2) 最高溫的電池片,破裂程度也最嚴重。但是破裂嚴重的電池片未必會有高溫,因為同一串電池片裡,損傷最嚴重的那片會限制了整串電流,就像水管被掐著導致水流變小,所以其他缺陷電池片的溫度也不會太高。

(3) 溫度高的電池也未必有隱裂,以這個例子來說,右下角有三片電池片效能低於其他片,所以溫度較高,但是電池片是沒有隱裂等缺陷的。

(4) 因此可以總結的說,EL可以明確知道每一片電池片是哪一種缺陷,而IR只有偵測到高溫,較難判定缺陷種類,也難以判斷嚴重程度。如果看到模組上只有一片電池高溫,不代表只有一片電池片損傷,還是需要EL或其他工具協助才能確認損傷程度。


 

EL檢測使用時機

由於EL可以很明確的判斷缺陷種類與缺陷位置,在電站建置的每個階段都可以使用。但是另一方面因為檢測要在晚上進行,檢測速度也較慢,所以檢測成本較高。因此通常會以抽測的方式進行,而不像IR空拍是全檢為主。或者可以把EL檢測作為第二線診斷工具,當IR找到異常但無法判斷缺陷種類時,由EL來確認缺陷的種類與後續處置方法。簡單歸納檢測時機如下:

Ø  模組出貨/到場檢測(模組到案場時,上架安裝之前檢測)

      模組先天缺陷

      運輸損傷

Ø  系統驗收檢測

      搬運不當造成損傷

      安裝方式不當,如踩踏造成損傷

Ø  系統定期檢測

      維護方式不當,例如清洗模組時踩踏損傷

      環境造成模組失效,例如颱風造成損傷

Ø  事故損失評估

      事故後模組損壞評估,例如模組堆疊倒塌、模組摔落

      保險理賠,例如確認被風吹落的模組還能不能使用

Ø  系統問題調查

      發電不如預期的問題診斷

      功率快速衰減問題診斷

 

 

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PID電壓導致衰退http://solar543.blogspot.com/2018/07/pid.html

什麼是蝸牛紋http://solar543.blogspot.com/2017/05/snailtrail.html

太陽能板能不能踩http://solar543.blogspot.com/2015/08/blog-post.html

 

  

關於作者:

林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」

2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發

2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室

2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長

2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

 

目前擔任:

PV Guider首席顧問

CNS國家標準審議委員

工研院量測中心顧問

IEA國際能源總署Task 13太陽能可靠度工作組技術專家兼共同主持人

SEMI產業標準技術委員會主席

Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家

華聚基金會兩岸共通標準技術專家

 

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