Come per tutte le cose che si acquistano, anche per i moduli solari fotovoltaici ci si pone la domanda: quanto durano? In questo caso, però, il quesito ha un’importanza maggiore, poiché l’acquisto di moduli solari fotovoltaici, e, più in generale, di un impianto solare fotovoltaico, viene visto come un investimento.
Non esiste una "data di scadenza" per i moduli solari fotovoltaici - da adesso in poi, più semplicemente, “moduli” - tuttavia esiste una perdita di capacità di produzione nel corso degli anni (degrado) che costringe, ad un certo punto, alla loro sostituzione. Conoscere, allora, come si riduce, nel corso del tempo, la capacità di produzione dei moduli consente di prevedere quanta energia elettrica questi erogheranno nel corso degli anni e, dunque, quando non saranno più in grado di produrre in modo soddisfacente, consentendo così di definire il rischio finanziario associato all’acquisto di un impianto solare fotovoltaico.
Per misurare la perdita, nel corso del tempo, della capacità di produzione (tasso di degrado) dei moduli, sono stati eseguiti diversi esperimenti, modellizzazioni e test sul campo. Soprattutto questi ultimi hanno svolto un ruolo fondamentale almeno per due ragioni: sono eseguiti nell'ambiente operativo dei sistemi solari fotovoltaici; è l'unico modo per integrare i test accelerati, eseguiti in laboratorio, e prevedere così le prestazioni sul campo.
Lo studio “Photovoltaic Degradation Rates - An Analytical Review” del National Renewable Energy Laboratory (NREL), pubblicato nel 2012, è un'indagine che raccoglie i tassi di degrado dei moduli misurati nei test sul campo eseguiti nel corso dei 40 anni precedenti. Secondo questa indagine, il tasso di degrado dei moduli ammonta in media a circa 0,8% all’anno (vedi figura 1).
Figura 1. Istogramma dei tassi di degrado di tutti i moduli studiati sul campo.
Si tenga presente che i dati ricavati nello studio sono tassi di degrado a lungo termine che non includono gli effetti del degrado a breve termine indotto dalla luce, anche se, nonostante lo sforzo per eliminarla, soprattutto per le tecnologie a film sottile, l’influenza del degrado indotto dalla luce non può essere completamente esclusa.
Il degrado indotto dalla luce (Light-Induced Degradation - LID) è un fenomeno in cui i moduli perdono una frazione della loro efficienza di conversione, rispetto a quella misurata in condizioni di test standard (STC), entro le prime ore di esposizione alla luce del sole. Si tratta di un degrado a breve termine che interessa tutte le tecnologie dei moduli e può variare da modulo a modulo, ma di solito si traduce in una perdita di efficienza di conversione dell'1-5% una-tantum. Essendo il LID un fenomeno prevedibile, le potenze nominali dei moduli, dichiarate dai costruttori, tengono già conto di questa perdita.
Dunque, con un tasso di degrado annuo pari allo 0,8%, un modulo, dopo 20 anni, presenta in media una capacità di produzione pari a circa l’85% della sua capacità originale, ossia della sua capacità di produzione iniziale al netto del degrado indotto dalla luce.
Dallo studio emerge ancora che, nella maggior parte dei casi analizzati sul campo (78%), il tasso di degrado è minore dell’1%/anno. Possiamo, allora, ritenere che, con tutta probabilità, dopo 20 anni un modulo presenti ancora una capacità di produzione superiore all’80% della sua capacità originale, che per l’industria solare è una prestazione considerata ancora ragionevole.
In Italia, in base alla normativa vigente, i produttori di moduli devono fornire per i loro prodotti due tipi di garanzie:
- garanzia di prodotto;
- garanzia di prestazione.
La garanzia di prestazione è quella che riguarda il degrado dei moduli. Il costruttore deve garantire che la potenza erogata dal dispositivo, misurata in condizioni di prova standard, non sarà inferiore al 90% della potenza minima (dichiarata dal costruttore nel foglio dati del modulo all’atto dell’acquisto) per almeno 10 anni e non inferiore al 80% per almeno 20 anni. Dunque, in base ai dati riportati nello studio del NREL, queste garanzie possono essere soddisfatte. Addirittura, negli ultimi anni, incoraggiati dai risultati provenienti dai test sul campo e da quelli accelerati in laboratorio, i costruttori si stanno spingendo oltre, fornendo garanzie migliori su periodi di tempo più estesi.
Ma quali sono le cause alla base del degrado di un modulo?
In generale, i moduli sono esposti a diversi fattori di stress, sia interni che esterni, che influenzano le loro prestazioni in tempo reale nonché la loro affidabilità a lungo termine. I fattori interni sono causati dalla progettazione del modulo, dalla scelta dei materiali e dagli effetti legati al processo di lavorazione. I fattori esterni, invece, sono causati dalle condizioni ambientali alle quali i moduli sono esposti: calore, umidità, vento, neve e raggi UV. In questo articolo, ci soffermeremo sui fattori esterni.
Lo scambio di calore con l’ambiente esterno è un fattore chiave per un modulo, sia per le prestazioni in tempo reale che per il degrado nel tempo. Controllando la scheda tecnica di un modulo, fornita dal produttore, è possibile trovare il coefficiente di temperatura della potenza che specifica quanta capacità produttiva viene persa, in tempo reale, per ogni grado Celsius di aumento della temperatura delle celle solari rispetto a quella standard di 25°C. Ad esempio, un coefficiente di temperatura pari a -0,34% significa che per ogni grado Celsius superiore a 25, si perde lo 0,34% della capacità produttiva.
Lo scambio di calore con l’ambiente esterno causa anche un degrado del modulo. A seguito delle variazioni cicliche, diurne e stagionali, della temperatura ambiente, i materiali dei componenti del modulo si espandono e si contraggono (ciclo termico). Poiché vi è una discrepanza tra i coefficienti di dilatazione termica, i materiali dei moduli si espandono e si contraggono a velocità diverse. Questa mancata corrispondenza può indurre sollecitazioni termomeccaniche all'interno del modulo che minano la stabilità meccanica di alcuni componenti del modulo, in particolare degli elementi elettrici attivi, come celle fotovoltaiche, giunti di saldatura e nastri di interconnessione. Possono verificarsi, allora, deformazioni, distacco dell'incapsulante dal vetro frontale o dal backsheet (delaminazione) e persino rotture delle celle fotovoltaiche. Inoltre, le variazioni cicliche delle temperature possono produrre sollecitazioni termomeccaniche cicliche nei materiali del modulo che possono portare a guasti indotti dalla fatica nei vari componenti del modulo. Tutti questi fenomeni prodotti dal ciclo termico, in modalità diverse, provocano una riduzione della capacità di produzione del modulo.
Figura 2. Esempio di delaminazione (sinistra) e di rottura delle celle solari (destra)
Il vento è un’altra condizione ambientale che può causare il degrado dei moduli. Al pari del calore, il vento è un fattore di stress dinamico e può generare una sollecitazione sia sulla parte anteriore che su quella posteriore del modulo. I carichi meccanici dovuti al vento possono essere significativi poiché, in regime di raffiche, la sua direzione e velocità possono cambiare improvvisamente. L'esposizione prolungata a raffiche di vento cicliche può generare una flessione ciclica del modulo che può causare la crescita di micro-fessure delle celle solari e può indurre guasti per fatica degli elementi elettrici attivi, nonché fenomeni di delaminazione. E tutti questi fenomeni, in modi diversi, determinano la riduzione della capacità di produzione dei moduli.
Anche la neve può limitare la capacità di produzione dei moduli. Il carico di neve è un fattore di stress statico e l'accumulo a lungo termine sul lato anteriore può esercitare una forza significativa sul modulo che può causare crepe nelle celle fotovoltaiche. Se il modulo è inclinato, l'accumulo di neve e la formazione di ghiaccio sul bordo del modulo possono indurre forze di flessione e danneggiare la rigidità del telaio. Può verificarsi anche il distacco del telaio dal modulo. In questo caso, i moduli perdono la loro protezione ambientale ed elettrica innescando una serie di fenomeni che portano al degrado del modulo.
Poi, abbiamo i raggi UV - forse il fattore ambientale di degrado più insidioso. Sebbene la regione UV (280–400 nm) corrisponda ad una piccola banda dello spettro della radiazione solare che giunge sulla terra, i suoi fotoni sono, in caso di esposizione prolungata, i più dannosi per i materiali polimerici che compongono i componenti del modulo, poiché l'energia di questi fotoni è sufficientemente elevata da causare la scissione dei legami C–C e C–O, che si trovano tipicamente nella catena principale del polimero. Queste reazioni di scissione possono provocare lo scolorimento dell’incapsulante oppure un suo infragilimento. Nel primo caso, l’incapsulante assorbe parte della luce solare destinata alle celle fotovoltaiche, causando così una perdita di capacità di produzione; nel secondo caso, può essere soggetto a fenomeni di delaminazione.
Figura 3. Esempio di scolorimento di un modulo
Infine, abbiamo l’umidità. Si tratta di un importante fattore ambientale di degrado per i moduli, poiché il suo ingresso nel modulo può generare una serie di fenomeni che, in modi diversi, causano il degrado del modulo. I moduli difficilmente contengono umidità dopo la produzione, tuttavia, sul campo, le concentrazioni interne di questa aumentano nel corso del tempo. A seconda della forma che assume, l’umidità può innescare diversi fenomeni che portano al degrado del modulo. Nella forma di acqua, l’umidità può indurre stress meccanici a causa dell'espansione e contrazione del suo volume; erodere gli additivi lontano dai materiali polimerici; deteriorare l'isolamento elettrico dei dielettrici e causare corrente di dispersione. Nella forma di ghiaccio, l’umidità può subire variazioni di volume durante i cicli di gelo-disgelo e produrre sollecitazioni meccaniche sul lato esterno del modulo fotovoltaico che portano alla delaminazione del vetro anteriore o al danneggiamento del telaio. Nella forma di vapore, quando il modulo è saturo di umidità, un calo di temperatura può far sì che il livello di umidità superi il limite di saturazione, provocando condensa sotto forma di gocce d'acqua, soprattutto sulle interfacce, sulle superfici delle celle fotovoltaiche e sugli elementi di metallo. Mentre le interfacce indebolite possono delaminarsi, e creare ulteriori percorsi per l'ingresso di umidità, la corrosione dei componenti metallici può causare una significativa perdita di prestazioni a causa della maggiore resistenza.
Nel complesso, il degrado è un fenomeno inevitabile nella vita di un modulo. Tuttavia, da anni, l’industria solare sta mettendo a punto soluzioni - materiali, tecniche di progettazione e costruzione dei moduli nonché pratiche di progettazione e installazione dei sistemi solari fotovoltaici - in grado di prevenire e contrastare i fenomeni interni e l’azione dei fattori ambientali, finora visti, che portano alla riduzione della capacità di produzione dei moduli. Anche i proprietari degli impianti solari fotovoltaici, eseguendo regolarmente la manutenzione ordinaria, possono contribuire positivamente al contrasto del degrado dei moduli. Tutti questi sforzi sono necessari perché consentono di allungare la vita utile dei moduli e, di conseguenza, rendere più sostenibile, dal punto di vista finanziario, un investimento in un impianto solare fotovoltaico.
fonte:
Review Dirk C. Jordan and Sarah R. Kurtz: Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical
M. Aghaei, A. Fairbrother, A. Gok, S. Ahmad, S. Kazim, K. Lobato, G. Oreski, A. Reinders, J. Schmitz, M. Theelen, P. Yilmaz, J. Kettle: Review of degradation and failure phenomena in photovoltaic modules