Come rilevare rotture a basso- consumo energetico nei moduli fotovoltaici: una guida tecnica

Le fratture a bassa-energia sono il tipo di frattura più dannosa che può verificarsi in un modulo fotovoltaico poiché sono difficili da rilevare a occhio nudo dopo sole 24 ore a causa della loro bassa forza di impatto e che si verificano in un'area ristretta del modulo stesso. Ciò limita l'area del danno per la frattura iniziale e non causa necessariamente la propagazione di ulteriori fratture da questa posizione iniziale. A causa delle loro piccole dimensioni e dell’area d’effetto ristretta, solitamente non sono facilmente identificabili durante le ispezioni di routine. Se queste fratture non vengono rilevate e lasciate continuare, ridurranno la produzione di energia del modulo, aumenteranno la resistenza in serie e provocheranno un guasto prematuro del modulo. Lo scopo di questo articolo è fornire informazioni relative ai diversi metodi di identificazione delle fratture a bassa-energia nei moduli fotovoltaici.

I moduli fotovoltaici (PV) hanno un vetro anteriore che può sviluppare fratture a bassa-energia a causa di una varietà di fattori quali stress di produzione, vibrazioni durante il trasporto, manipolazione impropria durante l'installazione, cicli termici e carichi meccanici (ad esempio, colpi di grandine o accumulo di neve). Le fratture a bassa-energia sembrano simili a danni evidenti di grandi dimensioni, ma non compromettono immediatamente l'integrità strutturale di un modulo fotovoltaico e continueranno ad espandersi se non trattate in condizioni operative normali. Ciò rappresenta una sfida significativa per i proprietari/operatori delle risorse nell'individuare le fratture a bassa-energia poiché sia ​​le immagini RGB standard che la termografia a infrarossi non mostrano immediatamente questi difetti. Le fratture a bassa-energia creano quindi una passività nascosta nel contesto dei grandi impianti fotovoltaici.

La pietra angolare del rilevamento delle fratture a bassa-energia è l'imaging con elettroluminescenza (EL), un metodo di test non-distruttivo ampiamente riconosciuto come lo standard di riferimento del settore per l'identificazione dei difetti interni nei moduli fotovoltaici. L'imaging EL è formalmente standardizzato secondo la norma IEC 60904-13, il punto di riferimento internazionale che specifica i metodi per l'imaging EL dei moduli fotovoltaici.

L'imaging EL sfrutta le proprietà elettroluminescenti dei materiali semiconduttori. Quando un modulo fotovoltaico è polarizzato direttamente-con una corrente continua controllata-tipicamente da 0,8 a 1,2 volte la corrente di cortocircuito-(Isc)-le giunzioni PN all'interno delle celle solari emettono fotoni nel vicino-infrarosso (lunghezze d'onda di 800–1100 nm) attraverso la ricombinazione di lacune di elettroni-. Una-fotocamera ad alta sensibilità-dotata di sensori InGaAs o Si-CCD raffreddati in grado di rilevare lunghezze d'onda da 900 a 1300 nm-cattura questi deboli segnali luminosi e li converte in immagini in scala di grigi. In una cellula sana, l'immagine EL appare uniformemente luminosa. Nelle aree interessate da difetti-crepe, interruzioni delle dita, fratture o shunt-la ricombinazione anomala dei portatori di carica determina una luminescenza ridotta, che appare come linee scure, macchie scure o regioni scure localizzate.

Nello specifico, per le fratture a bassa-energia, l'imaging EL può rivelare crepe come sottili linee nere o motivi ramificati che altrimenti rimarrebbero invisibili. La risoluzione spaziale dei moderni sistemi EL può arrivare fino a 10 μm, consentendo il rilevamento anche delle micro-fessure più minute. Il test viene condotto in un ambiente a luce-controllata-tipicamente una camera oscura o con ombreggiatura-per evitare interferenze della luce ambientale. I tempi di esposizione variano generalmente da 1 a 30 secondi, a seconda della sensibilità della fotocamera e del tipo di modulo.

Imaging EL alla luce diurna: una svolta per le ispezioni sul campo

I tradizionali test EL richiedono da tempo condizioni di camera oscura, rendendoli poco pratici per ispezioni sul campo su larga scala-di impianti fotovoltaici in funzione. Tuttavia, a metà del-2026 è emerso uno sviluppo rivoluzionario quando i ricercatori dell'Università tecnica della Danimarca hanno sviluppato un nuovo metodo di imaging EL con luce diurna appositamente progettato per rilevare crepe sul vetro anteriore a bassa energia.

L'innovazione sta nel trasformare quelle che una volta erano considerate sfide-luce solare e movimento della fotocamera-in vantaggi. Il metodo-polarizza direttamente il modulo FV con una corrente modulata, facendogli emettere un segnale EL. Una fotocamera InGaAs-a infrarossi a onde corte (SWIR) registra quindi più immagini mentre la fotocamera è in leggero movimento, in genere montata su un drone. Mentre la telecamera si muove, il vetro rotto riflette la luce solare in modo diverso da un fotogramma all'altro. Il software rileva gli angoli del modulo, traccia e allinea il modulo su tutti i fotogrammi e applica l'elaborazione rapida della trasformata di Fourier (FFT) per estrarre il segnale EL riducendo al contempo il rumore della luce diurna. L'immagine ricostruita rivela sia le informazioni EL convenzionali-come difetti delle celle-che le crepe del vetro, che diventano visibili a causa dei cambiamenti dei riflessi della luce del giorno.

Il team ha convalidato la tecnica sia attraverso esperimenti di laboratorio controllati che tramite ispezioni reali con droni presso l'impianto fotovoltaico dell'università. Utilizzando un drone commerciale dotato di una fotocamera InGaAs da 640 × 512 pixel, hanno scoperto che la distanza di imaging ottimale era di 8-12 metri, con un’affidabilità di rilevamento delle crepe che diminuiva oltre i 15 metri.

Termografia a infrarossi: un approccio complementare

L'imaging elettroluminescente (EL) rileva crepe o fratture osservando ciò che viene definito "emissione luminosa". Questo metodo non è-invasivo; i collegamenti elettrici o i cavi non influiscono sul modo in cui un modulo appare attraverso una telecamera EL. I termogrammi a infrarossi (IR) rappresentano un'altra forma di rilevamento delle fratture utilizzando un mezzo diverso: le tracce di calore. I moduli fotovoltaici (PV) installati in luoghi soleggiati manterranno la temperatura uniforme nelle celle normali (o buone) e mostreranno anche un riscaldamento localizzato dei difetti a causa della loro maggiore resistenza alla corrente elettrica. La telecamera IR catturerà queste differenze di temperatura, che potrebbero essere comprese tra diversi gradi e decine di gradi Celsius.

Per le fratture a bassa-energia, la termografia a infrarossi può rivelare le conseguenze termiche di una cricca-un aumento della resistenza in serie che porta a punti caldi localizzati-anche quando la cricca stessa non è direttamente visibile. I moderni sistemi di rilevamento a infrarossi si sono evoluti da dispositivi portatili a piattaforme montate su droni,-che consentono l'ispezione rapida e senza-contatto di interi impianti fotovoltaici. Se combinata con l'imaging EL, la termografia a infrarossi fornisce un quadro più completo dello stato di salute del modulo.

Intelligenza artificiale: migliorare la precisione di rilevamento

L'enorme volume di immagini generate dalle ispezioni EL e a infrarossi-in particolare negli impianti di grandi dimensioni-su scala-ha reso l'analisi manuale impraticabile. L'ispezione di qualità tradizionale richiedeva agli ingegneri di fissare gli schermi, identificare i difetti in base all'esperienza-un processo che richiedeva almeno un minuto per modulo ed era soggetto a fatica, rilevamenti mancati e giudizi errati.

L’intelligenza artificiale ha trasformato questo panorama. I ricercatori hanno sviluppato metodi di riconoscimento visivo basati sull'AI-che si basano sulla tecnologia di imaging EL. Costruendo strutture complete che includono l'acquisizione di immagini EL, la preelaborazione e modelli di rete neurale avanzati-come reti residue migliorate (ResNet) con meccanismi di attenzione-questi sistemi raggiungono tassi di precisione di identificazione dei difetti del 99,8% con un tasso di rilevamento mancato-di solo lo 0,07%, elaborando una singola immagine in soli 8 secondi. Ciò rappresenta un notevole miglioramento sia rispetto all’ispezione manuale che agli approcci algoritmici convenzionali.

Un approccio emergente per rilevare le fratture senza interrompere il funzionamento del modulo prevede l'analisi della risposta elettrica dinamica. Questo metodo monitora il comportamento elettrico dei moduli fotovoltaici durante il normale funzionamento e identifica anomalie indicative di fessurazioni. Poiché non richiede l'arresto del sistema o apparecchiature di imaging specializzate, offre una soluzione pratica per il monitoraggio continuo della salute nei sistemi di energia solare.

Il rilevamento delle fratture a bassa-energia deve essere condotto in conformità con gli standard stabiliti. La norma IEC 60904-13 fornisce il quadro per l'imaging EL, mentre la norma IEC 61730-2 riguarda la qualificazione della sicurezza dei moduli e include disposizioni per i test di rottura. La norma IEC TS 62782 specifica i metodi per le prove di carico meccanico ciclico, che possono aiutare a identificare i moduli suscettibili alla frattura sotto stress dinamico. Per le ispezioni sul campo, la combinazione di imaging EL (in particolare il nuovo metodo basato sulla luce diurna), termografia a infrarossi e analisi basata sull’intelligenza artificiale rappresenta l’attuale stato dell’arte.

Il rilevamento di fratture a bassa-energia nei moduli fotovoltaici (PV) viene ottenuto attraverso una strategia multistrato. Il fondamento di questa strategia è l'uso dell'imaging elettroluminescente (ELI), che è stato avanzato dalla recente introduzione di sistemi basati su droni-in grado di eseguire ispezioni sul campo su larga-scala durante le ore diurne. Inoltre, la termografia a infrarossi (IRT) fornisce dati termici complementari con cui valutare la presenza di difetti di frattura a bassa-energia all'interno dei moduli, mentre le tecnologie di intelligenza artificiale (AI) consentono un'analisi rapida e accurata su larga scala. Con le aziende solari che si concentrano sulle prestazioni a lungo-termine piuttosto che sulla crescita a breve-termine, la capacità di individuare e affrontare le fratture a basso-energia diventerà sempre più importante per la stabilità a lungo-termine e la bancabilità degli asset fotovoltaici.