Degradación Inducida por Potencial Potential Induced Degradation (PID) : aspectos esenciales, sus causas, comprobaciones y posibles soluciones.

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1 Degradación Inducida por Potencial Potential Induced Degradation (PID) : aspectos esenciales, sus causas, comprobaciones y posibles soluciones. Septiembre 2013 Pág. 1 de 6

2 Hoy queremos dirigir vuestra atención a un fenómeno que está afectando a numerosas plantas fotovoltaicas y que podría ser un grave problema para futuras instalaciones si no se toman las medidas adecuadas durante su diseño. Nos referimos a la brusca reducción de potencia que sufren los paneles fotovoltaicos durante sus primeros años de explotación, causado por el efecto de Degradación Inducida por Potencial, más conocido como Potential Induced Degradation (PID) Queremos hacerles recordar que en nuestras anteriores entregas hemos hecho hincapié en varios factores que influyen negativamente en la eficiencia y en la producción de energía de las plantas fotovoltaicas; así como en el negativo impacto que han tenido los ajustes en las políticas de promoción de la energía solar fotovoltaica. Por estas razones, cada día cobra más importancia realizar un buen diseño para reducir las pérdidas de energía del sistema y al mismo tiempo realizar un estudio exhaustivo de todos los elementos que forman parte de la planta fotovoltaica, principalmente los inversores y paneles fotovoltaicos. El efecto de Degradación Inducida por Potencial Potential Induced Degradation (PID) es un fenómeno que ocurre en los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino y que provoca la reducción de su potencia de forma abrupta, llegando hasta una reducción del 30% de su potencia nominal. Es un problema que se ha extendido en todo el sector fotovoltaico, desde las empresas de ingeniería, instaladoras y mantenedoras, hasta los propios clientes finales. Debemos decir que no es un fenómeno nuevo ya que se ha venido trabajando y estudiado durante los últimos años por varias instituciones en aras de esclarecer sus causas y posibles métodos para su detección. Se pueden consultar artículos relacionados con este tema para conocer en detalle sus causas; como por ejemplo artículos en National Renewable Energy Laboratory (NREL), IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers, PHOTON International The Photovoltaic Magazine. Asimismo, se puede encontrar información sobre este fenómeno en las newsletters de varios laboratorios especializados y de fabricantes de paneles fotovoltaicos e inversores. El PID es un fenómeno no deseado en las plantas fotovoltaicas ya que influye negativamente en la potencia de salida de los paneles fotovoltaicos y en la producción de energía. Su efecto puede ser reversible o irreversible, dependiendo de la causa. Está demostrado que el efecto PID en los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino es reversible por lo que puede revertirse la situación con medidas preventivas y/o correctivas. Por el contrario, los efectos irreversibles han sido encontrados en las tecnologías de capa fina y son ocasionados generalmente por reacciones electromecánicas que provocan una electrocorrosión en una de las capas internas del panel y un deterioro irreparable de la misma. Pág. 2 de 6

3 Factores que influyen en el fenómeno PID Las condiciones necesarias para que aparezca el efecto PID son esencialmente las condiciones climatológicas del lugar de la instalación, el gran potencial negativo existente entre el marco metálico del módulo y las células fotovoltaicas y la calidad del panel fotovoltaico calidad los materiales empleados, así como su proceso de fabricación. Las condiciones ambientales del emplazamiento de la instalación fotovoltaica juegan un papel fundamental. Entornos donde se conjuguen las altas temperaturas con altos valores de humedad pueden ser más propensos a la aparición del fenómeno del PID. Los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino poseen un marco metálico que debe ir conectado al sistema de tierra por motivos de seguridad, evitando el riesgo eléctrico a personas. Esto hace que exista una diferencia de potencial negativo entre las células fotovoltaicas y el marco metálico conectado tierra; provocando la aparición de corriente de fuga que circula desde la capa activa de silicio, pasando por su encapsulante EVA (etileno vinil acetato) y el cristal del panel hasta llegar al marco. Esta corriente de fuga será mayor mientras mayor sea la humedad relativa en el campo fotovoltaico ya que la superficie del cristal del módulo estará cubierta por una capa húmeda, por ejemplo por la aparición del rocío, que unido a altos valores de temperatura reducirán la resistividad o la oposición al paso de los iones desde la célula hasta el marco metálico. Dicha corriente, a pesar de tener valores muy bajos, no puede ser despreciable ya que es la causante de la degradación de la potencia del panel fotovoltaico. Aun no se tienen todas las respuestas para reducir o eliminar el efecto del PID, por lo que las investigaciones sobre este fenómeno continúan. En cambio, si se ha podido definir su efecto en tres niveles diferentes dentro del sistema fotovoltaico: a nivel de célula, a nivel de panel y a nivel de sistema. Los efectos en cada nivel se evidencian de forma diferente, al igual que las soluciones para aminorar o eliminar dicho fenómeno. Los efectos a nivel de célula como a el nivel de panel están directamente relacionados con los fabricantes de paneles. Tanto los ingenieros de los proyectos fotovoltaicos como las empresas instaladores dedicadas a EPC poco pueden hacer para combatir el fenómeno en estos niveles. En ambos niveles se tienen en cuenta la calidad de los materiales primarios utilizados en la fabricación de la célula; además del diseño y calidad del panel terminado, como todo un único elemento. Actualmente existen algunos laboratorios especializados que realizan pruebas a los paneles para certificar su calidad, así como de los materiales empleados, y comprobar si son o no propensos al fenómeno PID. Sobre estos laboratorios hablaremos más adelante. Los efectos que aparecen a nivel de sistema pueden ser los más representativos. Vale destacar que la diferencia de potencial negativo a tierra, cada vez mayor, entre el marco metálico del módulo y las Pág. 3 de 6

4 células fotovoltaicas debido a la conexión de paneles fotovoltaicos en serie, está aplicada directamente a nivel de sistema. Es precisamente a este nivel donde los ingenieros de proyectos fotovoltaicos y empresas instaladoras y mantenedoras pueden aplicar medidas preventivas y/o correctivas para mitigar o eliminar el fenómeno del PID. Medidas preventivas y correctivas Como hemos mencionado anteriormente, podemos emplear diferentes medidas para evitar la diferencia de potencial negativo a tierra y mitigar o eliminar el efecto PID. Conexión de una polaridad del campo fotovoltaico a tierra Una de las medidas más utilizadas en la actualidad es conectar la polaridad negativa a tierra en los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino tipo p. Para ello se utilizan inversores con separación galvánica y se conecta la polaridad negativa del campo fotovoltaico al sistema de puesta a tierra, forzando así al campo fotovoltaico a trabajar positivamente respecto a tierra. También puede conectarse al sistema de tierra la polaridad positiva del campo fotovoltaico siempre y cuando el fabricante del panel lo especifique; por lo que debe ser éste último quien deba especificar cuál de las dos polaridades debe ser conectada a tierra para mitigar el fenómeno PID. La conexión de una de las polaridades del campo fotovoltaico a tierra puede ser implementada por los propios fabricantes de inversores, de hecho en muchas ocasiones esta solución viene incorporara por defecto en los inversores y en otros casos son soluciones opcionales. Podría darse el caso de tener un emplazamiento donde las condiciones climatológicas son favorables para la no aparición del fenómeno PID y el ingeniero de proyecto o la empresa constructora no considere necesaria la inclusión de esta medida de protección. Es importante tener en cuenta que ningún panel fotovoltaico está exento a la aparición de este fenómeno; y a pesar de ser un fenómeno reversible, recomendamos que se tengan en cuenta desde el diseño de la planta fotovoltaica estas medidas para evitar pérdidas de potencia y de producción de energía. Neutralizar la polarización del panel fotovoltaico En algunas plantas fotovoltaicas se utilizan inversores de alta eficiencia que no llevan separación galvánica, tecnología transformerless inverter. Estos inversores no pueden conectarse a tierra por lo que no puede ser aplicada la medida antes comentada. Para corregir y eliminar el efecto de PID en estos tipos de inversores se aplica una tensión inversa a la tensión creada por el campo fotovoltaico. Dicha tensión inversa es aplicada durante la noche, cuando el campo fotovoltaico no genera energía, obligando a los portadores de carga recuperar su posición inicial y poder revertir el desplazamiento de los mismos Pág. 4 de 6

5 por la corriente de fuga. Como ejemplo de este tipo de medida podemos mencionar al fabricante de inversores SMA. Laboratorios para certificar la resistencia al PID Actualmente no existe una estandarización en las pruebas que deben realizarse para comprobar si los paneles fotovoltaicos son propensos al efecto del PID. Algunos de los laboratorios más prestigiosos del sector a nivel mundial han establecido algunos protocolos propios para certificar la resistencia de los paneles el fenómeno PID. Estos protocolos difieren unos de otros aunque se tienen en cuenta similares consideraciones durante las pruebas: comprobación de la reducción de potencia del panel fotovoltaico con la aplicación de una tensión inversa igual a la máxima tensión del sistema durante un tiempo determinado bajo condiciones especiales de temperatura y humedad. Una lista de algunos de estos laboratorios ha sido proporcionada por la revista Photon International Magazine de noviembre de 2012: NREL Fraunhofer CSP Intertek CFV Solar Test Laboratory PV Evolution Labs TÜV Rheinland PTL TÜV SÜD Pearl Laboratories PI Berlin Conclusiones El fenómeno de Degradación Inducida por Potencial Potential Induced Degradation (PID) tiene un efecto negativo en la rentabilidad y operación de las plantas fotovoltaicas. Este efecto va desde una brusca reducción de la potencia del campo fotovoltaico, una reducción de la producción de energía y una reducción de los ingresos netos. La pérdida de ingresos y beneficios estimados por los clientes provocan quejas y reclamaciones contra fabricantes de paneles e inversores y contra los propios instaladores. Esto se debe, principalmente, a que se desconocen las causas de la reducción de la potencia de los paneles; y aunque Pág. 5 de 6

6 existen métodos para comprobar si dicha reducción es provocada por el fenómeno del PID, aun son extremadamente complejos y costosos de realizar durante el funcionamiento de la planta fotovoltaica. Desde la concepción y diseño de la planta fotovoltaica, deben tenerse en consideración todos los aspectos mencionados en este artículo para reducir el impacto del PID. Siendo un efecto reversible, debe encontrarse el punto de equilibrio entre la utilización de paneles fotovoltaicos de aceptable calidad con certificados de resistencia al PID, la utilización de inversores con posibilidad de introducir medidas preventivas y/o correctivas contra este fenómeno, la aplicación de dichas medidas durante el diseño de la planta fotovoltaica o durante su operación y mantenimiento, y como último aspecto, el coste y rentabilidad de la planta fotovoltaica. Está en manos de los ingenieros de proyectos encontrar la solución acertada para cada planta en particular. Pág. 6 de 6