تنوعت التقنيات المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية الكهروضوئية خلال السنوات العشرة الأخيرة، وظهرت تقنيات جديدة لرفع كفاءة الألواح الشمسية (خلايا بيرك، خلايا ثنائية الوجه، أنصاف الخلايا) والتي لم تكن موجودة قبل سنوات قليلة. إن هذا التطور المتسارع جعل من الصعب الحصول على بيانات واقعية على المدى الطويل لإثبات كفاءة وموثوقية الأنظمة الكهروضوئية ومدى قابليتها للتمويل.
نقوم في هذا التقرير بإلقاء الضوء على برنامج تأهيل المنتج «Product Qualification Program – PQP» لعام 2020 والذي قام بتصميمه وتطويره مختبر تطوير الأنظمة الكهروضوئية «(PV Evolution Labs (PVEL» الأمريكي المستقل في خطوة لتسريع تبني استخدام الطاقة الشمسية وزيادة استثماراتها. ويعاني القطاع من انخفاض الثقة بأداء وموثوقية المحطات الشمسية الكهروضوئية بالرغم من حصول منتجات الطاقة الشمسية على الضمانات وشهادات الجودة العالمية.
يتضمن البرنامج العديد من اختبارات أداء الألواح الشمسية من أجل إنشاء قاعدة بيانات تمكن مطوري محطات الطاقة الكهروضوئية والمستثمرين وأصحاب الأصول من التعرف بشكل مستقل على الشركات المصنعة المتفوقة على منافسيها في جودة المنتج. وفي نهاية البرنامج يحصل المنتج وبعد تحقيقه لعدة شروط على بطاقة تقييم الأداء والموثوقية «Score card».
لكن قبل البدء في الشرح عن برنامج تأهيل المنتج وعن بطاقة تقييم الأداء، يجب علينا التحدث قليلاً عن شهادات الجودة العالمية للألواح الشمسية وماهي عيوب الشهادات والضمانات على أرض الواقع.
فهرس
حدود الضمانات والشهادات
إن الشهادات والضمانات هي متطلبات مهمة من أجل تمويل تقنيات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحديثة نسبياً والدخول بها إلى السوق العالمية. وحسب مختبر «PVEL» فإن هذه الشهادات لم تضمن الأداء الموثوق للألواح على المدى الطويل حتى لو كانت الألواح مصنعة من قبل مصنعي الدرجة الأولى أو ما يعرف بمصنعي الـ«Tier 1»، حيث ما زال يحدث فشل كبير للمنظومات الشمسية مؤدياً لخسائر مالية كبيرة.
مشاكل الضمانات
- الإفلاس والاستجابة الضعيفة: لا تحمي الضمانات المستثمرين عند إفلاس الشركة المصنعة أو عند عدم استجابتها لطلبات الكفالة.
- القياس الغير دقيق: من الصعب للغاية قياس انخفاض الاستطاعة في الميدان بدقة. كما أن معظم الكفالات تعطي هامشاً لصالح المصنعين بنسبة 3% في الأداء بسبب عم دقة القياس وبالتالي قد يؤدي ذلك إلى خسائر بالملايين للمستثمرين دون أن يكون لديهم الصلاحيات للتعويض من الكفالات.
- حدود التغطية: تغطي الضمانات تكلفة الألواح المستبدلة فقط ولا تشمل التكاليف عملية الاستبدال والتركيب ولا أرباح الطاقة الضائعة.
- في حال استبدال الألواح الخاضعة للكفالة: قد تكون الألواح الجديدة المستبدلة غير مناسبة للأنظمة القديمة، وذلك نظراً للتطور السريع لعمليات التصنيع.
برنامج تأهيل المنتج «PQP» من «PVEL»
يتضمن برنامج «PQP» العديد من اختبارات الأداء والتي تسند نتائجها إلى بطاقة تدعى ببطاقة تقييم الأداء «Score card».
يتم تحديد أهلية وجدارة هذه البطاقة تبعاً لعدة شروط:
- إتمام شهادة المصنع في غضون 18 شهراً من عام 2020.
- الخضوع إلى جميع تسلسلات الاختبار من برنامج «PQP».
- تقديم مالا يقل عن عينتين من الألواح الشمسية التي شهدها المصنع لكل اختبار.
- يجب أن يكون انخفاض مستوى الأداء أقل من 2 % بعد كل اختبار موثوقية.
عملية شهادة تدقيق المصنع - Factory Witness Process
يقوم مدققون من مختبر «PVEL» بزيارة المصنع على أرض الواقع والاطلاع على خط الإنتاج وآلية العمل ضمن عملية تدعى عملية شهادة المصنع، ويقوم المدققون باتباع ثمان خطوات كالتالي
- اجراء تدقيق حسابات عالي المستوى للمصنع «factory audit».
- تصوير مكونات قائمة المواد «Bill Of Materials – BOM» كمواد تمت إخراجها من عبوتها الأصلية.
- مراقبة وتسجيل أكثر من 100 تفصيل تقني حول قائمة المواد «BOM».
- التتبع وبدقة لكل مكون من قائمة المواد «BOM» خلال كل مرحلة من التصنيع.
- جمع عينات من (الطبقة الخلفية، طبقة غلاف الخلية، موصل الخلية) من أجل الاختبار أو الجرد في «PVEL».
- توثيق طرق الاجراء المستخدمة في اللحام والتصفيح.
- توقيع اللوح الشمسي، وختم لوح التحميل الخشبي بشريط غير قابل للتلاعب.
- الشحن بحراً ومباشرة إلى «PVEL» من أجل اختبارات برنامج «PQP».
تكمن أهمية هذه الخطوة أنها من طرف ثالث وتتم عن طريق زيارة المصنع وليس أخذ عينة من الألواح وفحصها
الاختبارات في برنامج تأهيل المنتج «PQP»
- اختبار الدورات الحرارية «Thermal cycling».
- اختبار الحرارة الرطبة «Damp heat».
- اختبار التحمل الديناميكي الميكانيكي «Dynamic mechanical load».
- اختبار التقادم المحفز بالتوتر «Potential Induced degradation – (PID)».
- اختبار التقادم المحفز بالضوء وارتفاع درجة الحرارة «Light and elevated Temperature-induced degradation – LeTID».
- ملف «PAN».
يتم تحديث البرنامج سنوياً من أجل تزويد المشترين بالبيانات ذات الصلة، وآخر التقنيات الجديدة، وقد كان آخر تحديث للبرنامج في أغسطس 2019 والذي يتضمن التغيرات التي تم اجراؤها على البرنامج بإضافة اختبار التحمل الميكانيكي «Mechanical Stress» واختبار «LeTID» واختبارات جديدة بخصوص متانة الطبقة الخلفية.
ونظراً لطرح هذه الاختبارات الجديدة في منتصف 2019، فإن أفضل المؤدين لها لم يتم تصنيفهم في بطاقة تقييم الأداء لعام 2020.
اختبار الدورات الحرارية «Thermal cycling»
تتغير درجات الحرارة المحيطة وعليه فإن مكونات اللوح الشمسي تتمدد وتتقلص تبعاً لدرجة الحرارة وينتج عن ذلك تأثير ميكانيكي – حراري يسمى الاجهاد البيني الذي يجهد الروابط بين كل طبقات اللوح الشمسي.
من الأمثلة على ذلك، اجهاد رابطة اللحام الذي يزيد من المقاومة التسلسلية للخلية الشمسية وبالتالي انخفاض توتر الخلية والذي يؤدي بالنتيجة انخفاض الاستطاعة المنتجة.
آلية الاختبار
يتم تعريض الألواح الشمسية لتقلبات في درجات الحرارة، حيث يتم وضعها في (غرفة المناخ -Environmental chamber) وتبريد درجة الحرارة إلى (40–) درجة مئوية ومن ثم تسخينها إلى 85 درجة مئوية.
حيث يتم اخضاع الألواح لأقصى تيار أثناء رفع درجة الحرارة.
بالنسبة لبرنامج «PQP» يتم تكرار الدورات الحرارية 600 دورة موزعة على ثلاث مجموعات أي ما يعادل 84 يوم في (حجرة المناخ). وهذا الإجراء أكثر صرامة من المواصفة IEC61215 والذي يتم فيه تطبيق 200 دورة حرارية في المجمل.
نلاحظ من الرسم البياني كيف انخفض أداء الالواح بشكل أكبر بعد المجموعة الثانية والثالثة من الدورات وهذا ما لا يتم تطبيقه في اختبار الدورات الحرارية من IEC61215.
إن متوسط انخفاض الاستطاعة لجميع الألواح المؤهلة لبطاقة تقييم الأداء لعام 2020 يصل إلى 0.067 % علماً أنه هناك العديد من الألواح التي لم تقدم الأداء ذاته بسبب ضعف تعدين الخلايا، واللحام غير الكامل لأشرطة موصلات الخلية حيث وصل الانخفاض في الاستطاعة إلى 4%.
الاختبار يكشف نوعين من حالات الفشل في الأداء: أحداهما الفشل في دايود العبور «Py Pass Diode»، والآخر تسرب الرطوبة بسبب انهيار العزل الكهربائي للوح.
اختبار الحرارة الرطبة «Damp heat»
على الرغم من أن درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة العالية شائعة في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية إلا أن الألواح الكهروضوئية في المناخات المعتدلة تعاني أيضاً من فترات ارتفاع درجات الحرارة والرطوبة، والتي تؤدي إلى فشل اللوح وتدهوره. ويعود ذلك بسبب استخدام مكونات ذات جودة رديئة، بالإضافة إلى عملية التصفيح دون المستوى.
يتم تغليف العديد من المكونات المختلفة معاً في اللوح الشمسي لتلبية الأداء المتوقع على مدى العمر الافتراضي للّوح. لذلك يجب أن تبقى هذه الطبقات ملتصقة بشدة، في حال أدت الرطوبة ودرجات الحرارة المرتفعة إلى إضعاف هذه المواد الملتصقة التي تربط الطبقات معاً، فهذا سيؤدي إلى تسرب المياه والأوساخ والأتربة إلى داخل اللوح كما سيؤدي لتحلل المكونات الداخلية.
آلية الاختبار
يتم وضع الألواح في حجرة المناخ وتخضع لدرجة حرارة ثابتة تصل إلى 85 درجة مئوية ورطوبة بنسبة 85% لفترتين مكونتين من 1000 ساعة أي ما يعادل 84 يوم وهذه المدة هي ضعف مدة اختبار IEC61215.
يمكن أن يؤدي الاختبار إلى عدم استقرار مركب (بورون – اوكسجين) في بعض خلايا بيرك لذلك أضافت «PVEL» عملية تثبيت البورون الأوكسجين بعد DH2000 والتي ساهمت في الحد من انخفاض الاستطاعة إلى نسبة أقل.
يعتبر الاختبار حاسماً في تحديد الوحدات ذات الأداء الضعيف والمعرضة لتسرب الرطوبة والتآكل، توضح الصور المأخوذة بتقنية «التألق الضوئي – Electroluminescence » أن أداء الألواح كان جيداً لمدة 1000 ساعة والمعتمد في شهادة IEC21215 بينما اختلف الأداء بشكل كبير بعد 2000 ساعة والذي أدى إلى تآكل خطوط النقل (الباسبار) وتآكل حواف الخلية وانخفاض بالاستطاعة يصل إلى 9% كما هو موضح في الشكل التالي:
اختبار التحمل الديناميكي الميكانيكي «Dynamic mechanical load»
يعد هذا الاختبار من أكثر اختبارات «PQP» صرامةً، حيث يجمع بين اختبار التحمل الميكانيكي الديناميكي واختبار الدورات الحرارية واختبار الحرارة الرطبة.
عندما تتعرض الألواح الشمسية لأحمال ميكانيكية مثل الثلج الثقيل أو قوى مثل الرياح الشديدة أو البَرَد، فإن مكونات اللوح تتعرض للإجهاد الذي سيؤدي إلى تكسر اللوح وبالتالي حصول العديد من المشاكل مثل (تسرب الرطوبة، ازياد تشقق الخلايا تآكل الخلية، إجهاد اللحام الواصل)
آلية الاختبار
- يتم تثبيت اللوح وفقاً للتركيب الموصى به من قبل الشركة المصنعة.
- تخضع الألواح إلى 1000 دورة تحميل متناوبة عند 1000 باسكال.
- يتم وضع اللوح في حجرة المناخ وتخضع ل 50 دورة حرارية (40⁰– ، 85⁰ +)
- يتم اخضاع اللوح بعد ذلك إلى 30 دورة تجميد الرطوبة مقسمة لثلاث مجموعات (85⁰ +، 85% رطوبة نسبية) لمدة عشرين ساعة، متبوعاً بانخفاض سريع لدرجة الحرارة يصل إلى (40⁰–).
بعد كل خطوة يتم فحص اللوح بصرياً بحثاً عن أي علامات لفشل الألواح، يمكن للاختبار الكشف عن العديد من المشاكل مثل: حدوث تقادم نتيجة عدم استقرار مركب (بورون – اوكسجين) وذلك بعد اختبار تجميد الرطوبة، انخفاض في الاستطاعة بسبب تكسر وتشقق الخلايا.
اختبار التقادم المحفز بالتوتر «Potential Induced degradation – PID»
لوحظ في العديد من المحطات الكهروضوئية حدوث تقادم للألواح الشمسية وانخفاض استطاعتها بنسبة كبيرة خلال السنوات الأولى من التشغيل مما أدى إلى فشل ذريع لهذه المنظومات وخسائر مالية ضخمة. وبعد إجراء عدة دراسات لهذا الانخفاض في الأداء، وُجدَ أن السبب هو نشوء فرق توتر سالب بين الخلية الكهروضوئية من جهة والزجاج مع الهيكل المعدني من جهة أخرى. والذي يؤدي بدوره إلى انجراف أيونات الصوديوم الموجودة في الزجاج إلى سطح الخلية والذي يحتوي عادة على طلاء مضاد للانعكاس من نتريد السليكون (SIN).
تكون الثقوب في هذه الطبقة كبيرة مما يساعد أيونات الصوديوم إلى الدخول إلى الخلية وحدوث تلف لا يمكن إصلاحه.
آلية الاختبار
توضع الألواح الشمسية في حجرة المناخ ويطبق عليها انحياز جهد يساوي أقصى توتر للنظام (1000– فولط، 1500– فولط) مع درجة حرارة 85 درجة مئوية و 85% رطوبة نسبية لدورتين من 96 ساعة.
ملف «PAN»
تستخدم ملفات «PAN» بواسطة برنامج محاكاة الأنظمة الكهروضوئية «PVsyst» لنمذجة أداء اللوح الشمسي تبعاً لشدة الاشعاع الشمسي ودرجة الحرارة. يتم إنشاء ملفات «PAN» الافتراضية الخاصة بـ «PVsyst» من المواصفات المدرجة في ورقة بيانات اللوح الشمسي والتي تكون عادةً غير شاملة لجميع محددات اللوح الشمسي.
يتضمن كل تقرير «PAN» نتائج محاكاة موقعين:
- موقع 1 ميجاواط في مناخ معتدل عند زاوية ميل 0 درجة (في بوسطن، الولايات المتحدة الأمريكية).
- موقع 1 ميجاواط في مناخ صحراوي عند زاوية ميل 20 درجة (في لاس فيجاس، الولايات المتحدة الأمريكية).
يتم اختبار 3 من الألواح الشمسية عبر مصفوفة لظروف التشغيل وفقاً للمواصفة IEC 61853-1، حيث تتراوح شدة الإشعاع الشمسي من (100 حتى 1100) واط لكل متر مربع وتتراوح درجة الحرارة من (15 حتى 75) درجة مئوية.
بعد ذلك يتم إنشاء ملف «PAN» باستخدام معطيات (بارمترات) النموذج الخاص ببرنامج «PVsyst» لإيجاد مقاربة بين نتائج نموذج المحاكاة ونتائج قياسات «PVEL» ضمن جميع الظروف.
قائمة الشركات الحاصلة على بطاقة تقييم الأداء:
الجدول التالي يبين الشركات التي تقدمت للبرنامج «PQP» واجتازت الاختبارات السابقة واستوفت الشروط التي قد أشرنا إليها أعلاه والتي تحدد مدى أهلية حصول الشركة على بطاقة تقييم الأداء. نلاحظ كيف أن شركتي «جينكو سولار – Jinko Solar» و «ترينا سولار – Trina Solar» قد استحقت أهلية البطاقة منذ عام 2014 إلى عام 2020.
خطوات التخفيف من المخاطر على ربحية المحطات الشمسية من وجهة نظر PVEL
يمكن لشركات الطاقة الشمسية تقليل التعرض لمخاطر التكنولوجيا وزيادة العوائد المالية طويلة المدى إلى الحد الأقصى من خلال بناء مشاريع موثوقة وعالية الأداء باتباع الخطوات الخمسة التالية:
- اجراء تدقيق تقني عالي المستوى للمصنع «factory audit»: تدقيق المصنع هو فحص مستقل لخطوط الإنتاج وتقوم به جهة خارجية من أجل مساعد المشتري في اختيار المنتج الخاضع لعمليات ضمان جودة صارمة.
- مراجعة تقارير برنامج تأهيل المنتج «PQP» من «PVEL»: يمكن للمشتري أن يطلب من المورد اتباع برنامج «PQP» حيث ستوفر التقارير بيانات تجريبية للألواح والتي تعمل على تحسين دقة التنبؤ واختيار قائمة مكونات المواد «Bill Of Materials – BOM» التي تلبي متطلبات المشروع. هذه البيانات ستكون متاحة من أجل المقارنة المعيارية.
- تحديد قائمة مكونات المواد للألواح الكهروضوئية – PV module bills of materials : يجب على المشترين بعد اختيارهم للألواح الكهروضوئية العمل مع «PVEL» لتحديد قائمة لمكونات المواد (BOM) المعتمدة ومواقع المصنع في اتفاقيات التوريد الخاصة بهم. يوفر مختبر «PVEL» عروض (BOM) مجانية للعقود.
- التأكد من جودة المنتج أثناء التصنيع: عند البدء في انتاج مشروع ما في المصنع، يمكن للمشترين اجراء رقابة من قبل طرف ثالث للتأكد من استخدام قائمة المواد المحددة، واتباع عمليات مراقبة الجودة المناسبة.يمكن ارسال عينة إحصائية من الألواح الشمسية إلى «PVEL» للاختبار وتحديد العيوب التسلسلية بسرعة والتأكد من أن الألواح المنتج ستحقق الأداء المتوقع. يعمل المختبر مع العميل على وضع خطة تخفيف في حال فشل أداء الالواح على أرض الواقع.
- التحقق من أداء الألواح على أرض الواقع: يقوم المختبر بإجراء اختبارات القبول والتصوير الميداني باستخدام تقنية التألق الضوئي وذلك للكشف عن تشقق الخلايا التي حدثت أثناء النقل والتركيب وتشخيص ضعف أداء النظام وتوفير بيانات الأساسية لمتطلبات التامين الأساسية.
الخلاصة
لعل واحدة من أهم الأمور والتي ستساعد المشترين والمستثمرين وأصحاب الأصول في اتخاذ قراراتهم بشكل صحيح وسليم عند شرائهم الألواح الشمسية أو إحدى منتجات الطاقة الشمسية، هي وجود طرف ثالث مستقل يقوم بعمل تقرير وتحليل لجميع البيانات المهمة لتقييم أداء الالواح على أرض الواقع وموثوقية المحطات الشمسية.
وهذا ما يقوم به مختبر «PVEL» ببرنامج تأهيل المنتج «PQP» حيث يقدم الرؤى والتحليلات والبيانات للعميل في خطوة منه لتسريع تبني الطاقة الشمسية وجعل سوق الطاقة الشمسية يعمل بشكل أفضل وحماية المستثمر من تعريض أمواله للخطر والحفاظ على قابلية التمويل البنكي لمشاريع الطاقة الشمسية.
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر : PV Evolution Labs
