Aurinkopaneelien laatutestaus : staattinen mekaaninen kuormitustestaus

Abstract

Tämän työn tarkoituksena oli suunnitella ja rakentaa aurinkopaneelien lujuustestauksia varten Turun ammattikorkeakoulun käyttöön jäävä testilaite, sekä suorittaa rakennetulla laitteella koetestaukset.

Laitteen rakentamista ja opinnäytetyön teoriapohjan rakentamista varten perehdyttiin aurinkopaneelien rakenteeseen sekä niiden laatutestauksia käsitteleviin, SFS-EN 61215 -sarjan standardeihin. Työn tuloksena rakennetulla testilaitteella tutkittiin perinteisten, kiteiseen piihin perustuvien aurinkopaneelien kuormankestävyyttä. Laitteella luodaan aurinkopaneelin päälle tasaista mekaanista kuormaa paneelin valmistajien ilmoittamien tietojen ja relevantin standardin määritelmien mukaisesti.

Testilaitteen suunnittelua varten tutkittiin SFS-EN 61215 -sarjan standardeja testausvoimien ja - prosessin määrittämiseksi. Suunnitteluosuus sisälsi laitteen kehikon ja erilaisten kiinnityskomponenttien 3D-mallintamisen, pneumatiikka- ja alipainejärjestelmien suunnittelun, sekä itse testausjärjestelyiden ja tulosten mittausmahdollisuuksien määrittelyn. Rakennusvaiheessa suunnitelmia lähdettiin toteuttamaan ja niitä muokattiin aina tarpeen mukaan.

Työn tuloksena syntyi aurinkopaneelien testauslaite, jolla saatiin suoritettua aiotut testaukset ongelmitta, vaikka laitteeseen jäikin vielä huomattavasti kehittämistä. Laitteella suoritetuista testauksista saatiin mitattua kunkin paneelin osalta laitteen järjestelmäpaine ja sitä kautta testausvoima, paneelin taipuma keskeltä, sekä paneelin läpi kulkenut jännite. Testatuille paneeleille suoritettiin ennen ja jälkeen testien elektroluminesenssikuvaus, sekä virran ja jännitteen mittaus, ja sähköisen turvallisuuden testaus. Odotetusti lähes kaikkien testattujen paneelien maksimiteho heikkeni kuormitustestien tuloksena. Vaikka elektroluminesenssikuvien perusteella monesta paneelista oli merkittävä määrä piikennoja pirstaloitunut, niiden välittömät tehon heikkenemät eivät olleet kovin suuria. Merkittävänä tuloksena oli, että kaikkien paneelien sähköinen turvallisuus säilytettiin, eikä riskiä sähköiskuista olisi testatuilla paneeleilla ollut.

The purpose of this thesis was to design and build a device to test the static mechanical load bearing abilities of photovoltaic (PV) panels and to perform the first experiments with it. After the thesis was finished the device was meant to stay in the possession of Turku University of Applied Sciences.

To build the device and to construct a comprehensive theory base for the thesis, it was necessary to study the structure of PV modules as well as the relevant standards in SFS-EN 61215 and SFS-EN 61730 series focusing on the quality, testing and safety of PV modules. The purpose of the testing device was to be able to do research on the load bearing abilities of traditional crystalline silicon based solar photovoltaic panels. With the device, relatively uniform mechanical loads are placed on PV modules according to manufacturers’ design loads and relevant regulations in the standards.

Relevant parts of the SFS-EN 61215 standards series were studied as a part of the design process of the device to define proper testing loads and other factors related to the testing process. The design process of the device included the 3D designing of the frame, its’ brackets and other parts as well as figuring out the configurations of the pneumatic and vacuum systems. The testing process, variables to be measured and the means of measurement were also contemplated. In the building phase of the thesis, all the designs were implemented, and modifications were made when necessary.

The result of this thesis was a photovoltaic module load testing device with which the planned experiments succeeded without problems even though there were some aspects of the device still in need of further development. Three variables were measured from all the PV modules tested with the device: displacement of the modules at the center, voltage going through the modules and the system pressure of the device with which the testing forces could be calculated. All the tested modules also went through an electroluminescence imaging, I-V-curve measurement and an electrical safety test before and after the load tests. As was expected, almost all the panels showed signs of reduced peak power after the load tests. However, the immediate power output drops of the modules seemed relatively small compared to the amount of cracked and broken cells that were seen in the EL images. As another positive result of the tests, all the panels passed the criterion of electrical safety so there was no danger of shock or personal injuries had the modules been put to real use after the tests.