Detección, clasificación y caracterización de defectos en módulos fotovoltaicos mediante la utilización de termografía, electroluminiscencia, curvas i-v y análisis visuales

Resum

Summary: The recent growth in renewable power capacity has been led by solar photovoltaics (PV), with more than half of the renewable power installed in 2018 of solar PV. Being able to detect, to identify and to quantify the severity of defects that appear within PV modules is essential to constitute a reliable, efficient and safety system, avoiding energy losses, mismatches and safety issues. Therefore, the idea of advanced Operation and Maintenance (O&M) is very attractive for the PV exploitation sector, since it will guarantee certain levels of efficiency in their PV plants. Different techniques has been traditionally used to detect PV modules anomalies, as visual inspections, manual Infrared Thermography (IRT) or electrical tests as the Current-Voltage curves (I-V curves). Technological advances allow the existence of innovative low-cost techniques, superseding time-consuming traditional manual methods. This doctoral thesis presents an analysis of the detection, characterization and classification of defects in PV modules through the use of IRT, EL, I-V curves and visual analysis, focusing on three main threads. Firstly, the state of the art of PV sites is analyzed, including the investigation on the failure rates and modes in PV plants and the design, operation and maintenance of PV sites, highlighting the importance of the research on PV modules failures. Secondly, it has been performed the detection, characterization and classification of defects in PV modules, by means of: analyzing and comparing the experimental results obtained with the different inspection techniques, the generation of merged images, the development of simulation circuits, the study of the effect of Electroluminescence (EL) tests in the modules service life, a quantitative analysis and characterization of manufacturing, soldering and breaking PV defects and a classification of PV defects attending to failure patterns. Thirdly, regarding the analysis of aerial IRT as a novel inspection technique the main contributions of the work are three: to review the available equipment focusing on their desirable characteristic for their application on aerial thermographic inspection of PV sites, to review the most important aspects in the tests that should be taken into account in order to obtain valid results and to study the influence of the resolution of IRT images. It is important to note that the research performed and the contributions presented have arisen from real needs proposed by operators, manufacturers and owners dedicated to the PV field, not only from Spain but also from several countries, which underlines the importance of the practical application of the study developed. Resumen: El reciente crecimiento que han experimentado las energías renovables ha sido liderado por la energía solar fotovoltaica (FV), siendo FV más de la mitad de la energía renovable instalada en 2018. Poder detectar, identificar y cuantificar la gravedad de los defectos en módulos es esencial para constituir sistemas fiables, eficientes y seguros, evitando pérdidas de energía, desajustes y problemas de seguridad. Por lo tanto, la idea de Operación y Mantenimiento avanzado (O&M) es muy atractiva para el sector de explotación FV, ya que garantizará ciertos niveles de eficiencia en sus plantas. Tradicionalmente se han utilizado diferentes técnicas para detectar anomalías en módulos FV, como inspecciones visuales, termografía manual o pruebas eléctricas (curvas I-V). Los avances tecnológicos permiten el desarrollo de técnicas innovadoras de bajo costo, mejorando los laboriosos métodos manuales tradicionales. Esta tesis doctoral presenta un análisis de la detección, caracterización y clasificación de defectos en módulos FV mediante el uso de termografía infrarroja (IRT), EL, curvas I-V y análisis visual, enfocándose en tres líneas principales. En primer lugar, se analiza el estado del arte de los sistemas fotovoltaicos, incluyendo la investigación sobre las tasas y modos de fallo en plantas FV y el diseño, operación y mantenimiento de las plantas. En segundo lugar, se realiza la detección, caracterización y clasificación de defectos en módulos FV, mediante los siguientes enfoques: el análisis y comparación de los resultados experimentales obtenidos con las diferentes técnicas de inspección, la generación de imágenes fusionadas, el desarrollo de circuitos de simulación, el estudio del efecto de las pruebas de electroluminiscencia (EL) en la vida útil de los módulos, el análisis cuantitativo y caracterización de defectos de fabricación, soldadura y roturas en células solares y la clasificación de defectos en función de sus patrones de fallo. En tercer lugar, en referencia al análisis de la termografía aérea como nueva técnica de inspección, las principales contribuciones del trabajo son tres: revisar el equipamiento disponible, enfocándose en las características deseables para su aplicación en inspecciones termográficas aéreas de plantas FV, la revisión de los aspectos más importantes que deben tenerse en cuenta en las pruebas para obtener resultados válidos y el estudio de la influencia de la resolución de las imágenes IRT. Es importante señalar que la investigación realizada y las contribuciones presentadas han surgido de necesidades reales propuestas por operadores, fabricantes y propietarios de instalaciones FV, no solo de España sino también de diversos países, lo cual enfatiza la importancia de la aplicación práctica del estudio desarrollado.