Desarrollo de soluciones innovadoras para el aseguramiento de la calidad y mitigación de riesgos en módulos fotovoltaicos

En un proyecto fotovoltaico (FV) de gran tamano, la principal inversion esta asociada al suministro de los modulos fotovoltaicos. De ahi la importancia de hacer rigurosos y eficaces controles de calidad sobre los mismos que contribuyan a la minimizacion de los riesgos tecnologicos asociados a este componente, el cual tiene una importancia critica en la rentabilidad del proyecto. Esta tesis se centra en el control de calidad de modulos en proyectos FV de gran escala. Para ello han sido desarrollados los siguientes puntos: - Diseno e implementacion de un programa global de control de calidad de modulos FV para proyectos de gran escala. El programa es presentado y criticamente analizado. El mismo cubre desde la fase previa a la fabricacion de modulos, donde se selecciona el fabricante, pasando por las inspecciones y pruebas durante el proceso de fabricacion, hasta la fase de operacion de los modulos. Se presentan las actividades que deberian llevarse a cabo para garantizar la calidad de los modulos FV en cada fase. Este programa tambien incluye un procedimiento para controlar la potencia en CEM de modulos con muy bajas incertidumbres de medida. El factor clave del procedimiento propuesto es el uso de un conjunto de modulos de referencia, los cuales son previamente calibrados en un laboratorio de referencia independiente asegurando asi la homogeneidad en su calibracion. Luego, ellos son distribuidos entre el fabricante de los modulos FV y los laboratorios de control de calidad (en origen y destino). De esta manera, la incertidumbre de medida es fuertemente minimizada. - Diseno, desarrollo e implementacion de tres laboratorios moviles "PV Mobile Labs". Estos laboratorios han sido disenados para llevar a cabo las pruebas de control de calidad “in situ” sobre modulos FV de acuerdo con normativas IEC y procedimientos internos. Estas pruebas son: inspeccion visual, aislamiento electrico, determinacion de potencia maxima en condiciones estandar de medida (CEM), comportamiento a baja irradiancia, pruebas de electroluminiscencia y termografia infrarroja en interior. El diseno de los laboratorios moviles garantiza la fiabilidad de los resultados como si se realizaran en un laboratorio convencional. La implementacion de estos laboratorios moviles representa un antes y un despues en los controles de calidad de los modulos fotovoltaicos en todo el mundo. - Analisis en profundidad de los datos obtenidos tras la implementacion de un procedimiento especifico para controlar la potencia en CEM en modulos FV. Este procedimiento fue implementado sobre un suministro de aproximadamente 700,000 modulos FV de tecnologia de silicio multicristalino (BSF) tipo-p producidos por un fabricante mundialmente conocido (Tier-1, Q4 2015). Primero, durante el proceso de fabricacion, se incluye el analisis de las mediciones de potencia en CEM de todo el suministro realizado por el fabricante de los modulos, donde se evaluo la calidad de estas mediciones a traves de un estudio de contraste comparativo en un laboratorio independiente sobre una muestra de 4.000 modulos. Ademas, el LID en 180 modulos y la resistencia al PID en una muestra de 125 modulos fueron caracterizados y analizados criticamente. En segundo lugar, durante la fase de operacion, tambien se incluye el analisis de la potencia en CEM despues de los primeros 2 anos de operacion de los modulos en condiciones deserticas. Estas mediciones se llevaron a cabo sobre una muestra de 2.000 modulos utilizando un laboratorio movil acreditado. Los resultados generales mostraron la efectividad de la implementacion del procedimiento antes mencionado, que se basa en el uso de un conjunto de modulos de referencia (referencias primarias) con origen de calibracion comun. Esto resulto ser una forma efectiva de reducir las incertidumbres a lo largo del proceso de control de calidad. De lo contrario, por ejemplo, con el uso de modulos de referencia con diferentes origenes de calibracion en los diferentes pasos del control de calidad representaria una fuente de incertidumbre que limitaria fuertemente la evaluacion cuantitativa de efectos de degradacion relativamente pequenos como LID, PID y las tasas de degradacion anuales. La susceptibilidad al PID, como se observo en la prueba de PID (metodo de camara climatica) como especificada en IEC TS 62804, fue practicamente insignificante y la degradacion promedio de LID despues de 20 kWh/m2 de exposicion al sol fue de 1.5%. La tasa de degradacion en el segundo ano de operacion fue 0.32% con respecto a la degradacion inicial ocurrida durante todo el primer ano. Finalmente, cabe destacar que estas estadisticas resultantes pueden servir como una referencia del estado del arte para el control de calidad de modulos fotovoltaicos. ----------ABSTRACT---------- In a utility-scale photovoltaic (PV) project, the main investment is associated with the supply of photovoltaic modules. Hence the importance of rigorous and effective quality controls on them that contribute to the minimization of the technological risks associated with this component, which has a critical importance in the profitability of the project. This thesis focuses on quality controls of PV modules in utility-scale PV projects. For this, the following points have been developed: - Design and implementation of a global quality control program of PV modules for utility-scale PV projects. The program is presented and critically analysed. It covers from the previous phase of the manufacture of modules, where the manufacturer is selected, going through the inspections and tests during manufacturing process until the operation phase of the modules. The activities that should be carried out to ensure the quality of the PV modules are described in each phase are presented. This program includes an STC control procedure leading to very low uncertainties. A key aspect of the proposed procedure is the use of a set of PV reference modules, which are previously calibrated in the same independent laboratory, thus ensuring homogeneity on their calibration. Then, they are distributed among the PV module manufacturer and the further control laboratories (at the origin and on-site). This way, the cross-calibration uncertainty is strongly minimized. - Design, development and implementation of three mobile laboratories “PV Mobile Labs”. These laboratories have been designed to carry out the on-site quality control tests of photovoltaic modules according to IEC standards and in-house procedures. These tests are: visual inspections, electrical insulation, maximum power determination at standard test conditions (STC), performance at low irradiance, electroluminescence tests and indoor infrared thermography. The design of the mobile laboratories ensures the reliability of the results as if conducted in a conventional laboratory. The implementation of these mobile laboratories represents a before and after regarding quality control of PV modules worldwide. - In-deep analysis of the data obtained upon the implementation of a specific procedure to control the STC power in PV modules. This procedure was implemented on a supply of approximately 700,000 multicrystalline p-type silicon BSF technology PV modules made by a worldwide known manufacturer (Tier-1, Q4 2015). First, during the manufacturing process, the analysis of the STC power measurements of the whole supply carried out by the modules' manufacturer is included, where the quality of these measurements was evaluated through a comparative contrast study in an independent laboratory on a sample of 4,000 modules. In addition, the LID on 180 modules and the resistance to the PID in a sample of 125 modules were characterized and critically analysed. Secondly, during the operation phase, the analysis of the STC power after the first 2 years of operation of the modules in desert conditions was also included. These measurements were carried out on a sample of 2,000 modules making use of an accredited mobile laboratory. The overall results showed the effectiveness of the implementation of the aforementioned procedure, which is based on the use of a set of reference modules (primary standards) with common calibration origin. It proved to be an effective way of reducing uncertainties all along the quality control process. Otherwise, i.e., using PV reference modules with different calibration origin at different control steps would represent an uncertainty source strongly limiting the quantitative assessment of relatively small degradation effects like LID, PID and yearly degradation rates. The susceptibility to PID, as observed on the PID test (chamber method) specified in IEC TS 62804, was practically negligible and the average LID degradation after 20 kWh/m2 of exposition to the sun was 1.5%. The degradation rate in the second year of operation was 0.32% with respect to the initial degradation occurred during the whole first year. Finally, it should be noted that, these resulting statistics can serve as a state-of-art reference for PV modules quality control.