Wybrane aspekty standaryzacji i certyfikacji ogniw fotowoltaicznych
Selected aspects of standardization and certification of photovoltaic cells
Baterie ogniw fotowoltaicznych tworzących elektrownię słoneczną w Nellis Air Force Base (USA)
https://en.wikipedia.org
Standaryzacja ma na celu ujednolicenie wyrobów (procesów, procedur, parametrów produkcji itp.) poprzez spełnienie wymagań określonych norm przedmiotowych. Certyfikacją określa się działanie mające na celu potwierdzenie, że są przestrzegane wymogi mające na celu standaryzację.
Zobacz także
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Weidmüller Rozwiązania fotowoltaiczne Weidmüller: najwyższa jakość i bezpieczeństwo
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Normalizacja modułów fotowoltaicznych
Pierwsze testy kwalifikacji modułów fotowoltaicznych były wdrażane przez Jet Propulsion Laboratory (JPL) jako element programu Departamentu Energii USA „Low-Cost Solar Array”. Badania (tzw. Block V Qualification Sequence) obejmowały:
- próbę temperaturową,
- próbę zamarzania-wilgoci,
- próbę ciśnienia cyklicznie zmiennego,
- test gradowy kulkami lodu,
- badanie wytrzymałości w punkcie hot-spot
- oraz badanie wytrzymałości na skręcanie powierzchni podczas montażu.
Po powyższej kwalifikacji moduły były badane w porównaniu do wyjściowych testów wydajności elektrycznej, a następnie dokonywano kontroli wizualnej, w celu aprobaty konstrukcji. Badania te posłużyły jako punkt wyjścia dla testów opracowanych później.
Kolejnym krokiem w rozwoju badań ogniw fotowoltaicznych była adaptacja europejskiej dyrektywy CEC 502, różniąca się znacząco od kwalifikacji JPL i wprowadzająca nowe elementy w sekwencji badań:
- test UV,
- test przechowywania w wysokiej temperaturze,
- test wysokiej temperatury i wilgotności,
- test obciążenia mechanicznego.
Badania wg CEC 502 nie obejmowały próby zamarzania-wilgoci.
W tym samym czasie firma Underwriters Laboratories (UL) wprowadziła normę bezpieczeństwa UL 1703, która stała się standardem obowiązującym moduły w USA. Norma objęła testy zamarzania-wilgoci, próby temperaturowe, testy hot-spot oraz szereg dodatkowych testów, związanych z bezpieczeństwem.
Wraz z rozwojem rynku modułów krzemowych wzrosło zapotrzebowanie na ich testowanie. W rezultacie, na podstawie badań Block V i normy UL 1703 powstały wytyczne do okresowych testów kwalifikacyjnych (Interim Qualification Tests – IQT).
Komitet Techniczny 82 (TC-82) Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) opracował normę dla badań modułów z krzemu krystalicznego IEC 1215 (zmienione później na 61215), która rozszerzyła wcześniejsze opracowania o dodatkowe badania.
Najbardziej znaczącą zmianą było wprowadzenie 1000-godzinnej próby ciepłem wilgotnym, zastępującej testy wysokiej temperatury i wysokiej wilgotności z CEC 502.
Przed wprowadzeniem IEC 61215 w obecnym brzmieniu, w prawie europejskim obowiązywała norma CEC 503. Norma IEC 61215 nie była dokumentem dostosowanym do badań modułów z krzemu amorficznego, gdyż sekwencja badań powodowała utrudnione określenie strat wydajności poprzez degradację materiałów pod wpływem światła. W rezultacie w kolejnych latach Komitet TC-82 wprowadził oddzielną normę IEC 61646 przeznaczoną do tych modułów [4].
Kolejnym ważnym standardem w branży fotowoltaicznej była norma Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników IEEE 1262. Motywacją do jej powstania był brak przepisów regulujących badania modułów z krzemu amorficznego oraz rozwój tej technologii w Stanach Zjednoczonych.
Wprowadzenie powyższych standardów wywarło ogromny wpływ na jakość i niezawodność modułów oraz ich późniejszy rozwój, a same normy stały się cennym narzędziem do oceny ogniw fotowoltaicznych.
Normy europejskie
Technologie fotowoltaiczne podlegają obecnie standaryzacji poprzez liczne normy obejmujące m.in. kwalifikację konstrukcji, aprobatę typu, monitorowanie pracy systemów, wytyczne dotyczące elementów, specyfikacji, zasady pomiaru, wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych, metody pomiaru liniowości, parametry charakterystyczne (szczegółowy wykaz norm zamieszczono w tabeli 1.). Do najistotniejszych z punktu widzenia certyfikacji należą wspomniane PN-EN 61215:2005 oraz PN-EN 61646:2008.
Tab. 1. Polskie Normy dotyczące ogniw fotowoltaicznych
Poniżej zostały opisane procedury testowe zgodnie z wymienionymi normami (porównaj rysunek 1. i rysunek 2.).
Testy wstępne. Przed rozpoczęciem badań wszystkie moduły, włącznie z modułem kontrolnym, powinny być wystawione na działanie promieniowania słonecznego (lub symulatora) o całkowitej ekspozycji 5,5 kWh/m2 (badanie przeprowadzane w obwodzie otwartym, tylko dla modułów krystalicznych, IEC 61215). Na podstawie testów powinien być sporządzony raport zgodnie z zasadami ISO/IEC 17025, zawierający szczegółową specyfikację modułów.
Rys. 1. Schemat procedury testów kwalifikacji modułów fotowoltaicznych wg PN‑EN 61215
Rys. 2. Schemat procedury testów kwalifikacji modułów fotowoltaicznych wg PN‑EN 61646
Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej – moc maksymalna. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej, zgodnie z IEC 60904-1, odbywa się w temperaturze otoczenia 25–50°C i przy natężeniu promieniowania 700–1100 W/m2 przy użyciu naturalnego źródła światła bądź symulatora klasy B lub wyższej. Możliwe jest przeprowadzanie badania w warunkach zbliżonych do oczekiwanych. W takim przypadku stosuje się współczynniki korekcyjne temperatury i natężenia promieniowania zgodnie z IEC 60891.
Test ekspozycji na zewnątrz jest stosowany w celu dokonania wstępnej oceny zdolności modułu do pracy w warunkach rzeczywistych i wskazania ewentualnych defektów, niewykrytych przez badania laboratoryjne. Z uwagi na krótki czas trwania testu i zmienność warunków atmosferycznych, test powinien być rozpatrywany z uwzględnieniem wcześniejszej analizy laboratoryjnej modułu.
Warunki testowe modułów fotowoltaicznych wg norm PN-EN 61215 i PN-EN 61646 zestawiono w tabeli 2. Normy te przewidują badania modułów PV w dwóch referencyjnych warunkach testowych: NOCT oraz STC (zgodnie z normą IEC 60904-3).
Tab. 2. Zestawienie warunków testowych modułów fotowoltaicznych według norm PN-EN 61215 i PN-EN 61646
NOCT (Normal Operating Cell Temperature) jest definiowana jako równoważnik średniej temperatury pracy ogniwa fotowoltaicznego w następującym standardowym środowisku odniesienia (SRE – Standard Reference Environment):
- kąt nachylenia (względem horyzontu): 45°,
- całkowite natężenie promieniowania: 800 W/m2,
- temperatura otoczenia: 20°C,
- obwód otwarty,
- współczynnik grubości warstwy atmosfery: 1,5 AM.
Norma zaleca, aby przy dokładnej prognozie wydajności pod uwagę były brane takie czynniki jak przewidywana rzeczywista temperatura pracy ogniw, natężenie promieniowania słonecznego, prędkość wiatru, temperatura otoczenia, promieniowanie rozproszone i odbite oraz pozycja pracy.
Warunki NOCT mogą być określane na podstawie metody podstawowej lub metody „referance-plate”.
Metoda podstawowa jest stosowana uniwersalnie do wszystkich modułów PV. Opiera się na zbieraniu danych dotyczących rzeczywistej temperatury ogniw w zakresie standardowych warunków odniesienia SRE. Natomiast metoda „reference-plate” opiera się na zasadzie porównania temperatury modułów testowych z modułami wzorcowymi w tych samych warunkach natężenia oświetlenia, temperatury otoczenia oraz prędkości wiatru.
STC (Standard Test Conditions) odnosi się do następujących parametrów:
- temperatura modułu fotowoltaicznego: 25°C,
- natężenie promieniowania: 800 W/m2,
- współczynnik grubości warstwy atmosfery: 1,5 AM.
Celem badania w warunkach STC jest określenie zmiany wydajności w stosunku do obciążenia, w tym celu wyznaczana jest charakterystyka prądowo-napięciowa ogniw.
Dodatkowo normy uwzględniają testy w warunkach ekspozycji na zewnątrz. Procedury testowe w świetle naturalnym mogą być jednak przeprowadzane tylko w przypadkach, gdy wartość całkowitego natężenia oświetlenia jest co najmniej na takim poziomie, jak górna granica zakresu przewidzianego dla urządzenia lub gdy spadki wartości natężenia, spowodowane krótkoterminowymi wahaniami (chmury, mgła, dym), stanowią mniej niż 2% całkowitego natężenia. Prędkość wiatru nie może przekraczać 2 m/s2.
Ze względu na dużą zmienność warunków pogodowych i brak możliwości prognozy w krótkich przedziałach czasowych dotrzymanie warunków testowych może być bardzo trudne lub nawet niewykonalne. Ponieważ testy prowadzone są w warunkach modelowych, rzeczywiste parametry pracy ogniw odbiegają od wyznaczonych zgodnie z normami w zależności od warunków eksploatacyjnych [2].
Certyfikacja ogniw fotowoltaicznych
Pierwsze próby wprowadzenia programu certyfikacji modułów fotowoltaicznych i akredytacji laboratoriów testujących zostały podjęte w roku 1996 przez National Renewable Energy Labolatory (NREL) i Arizona State University (ASU).
W ramach projektu utworzono dokumenty ujednolicające przepisy oraz szczegółowo określające sprzęt, wyposażenie, procedury potwierdzania jakości i zakres wiedzy technicznej, niezbędnych do kwalifikacji modułów PV.
Dokument opracowano we współpracy z przedstawicielami 30 amerykańskich producentów modułów fotowoltaicznych, użytkowników końcowych oraz z uwzględnieniem standardów i norm międzynarodowych. Program był przeznaczony na rynek amerykański, ale jego głównym celem było stworzenie podstaw dla przyszłego rozwoju procedur certyfikacji i akredytacji laboratoriów dla światowej branży fotowoltaicznej [3].
Procedura certyfikacji produktów fotowoltaicznych – program PV GAP
Obecnie obowiązującą procedurą certyfikacyjną w fotowoltaice w skali światowej jest Global Approval Program for Photovoltaics (PV GAP) [5, 6, 10].
Założenia PV GAP zostały opracowane przez IECEE w celu promowania wykorzystania międzynarodowych standardów, procesów zarządzania oraz organizacji szkoleń na poziomie produkcji, instalacji i sprzedaży systemów fotowoltaicznych na szczeblu lokalnym. Program PV GAP wprowadził dwa oznaczenia certyfikacyjne (znaki towarowe) dla produktów fotowoltaicznych: PV Quality Mark dla komponentów oraz PV Quality Seal dla całych systemów.
W 2009 roku nastąpiło przeniesienie własności Programu PV GAP na rzecz stowarzyszenia zawodowego Electrosuisse w Szwajcarii, działającego w imieniu IECEE. Procedura IECEE określa wymagania dla Programu Certyfikacji i definiuje następujące pojęcia:
Rys. 3. PV Quality Mark (a) i PV Quality Seal (b):
a) 56 (przykład Numeru Identyfikacyjnego NCB) MC-001-07 MC-001-07 (przykład Identyfikatora Użytkownika),
b) 56 (przykład Numeru Identyfikacyjnego NCB) MC-001-07 MC-001-07 (przykład Identyfikatora Użytkownika) [6]
- Dokumentacja Autoryzacji PV – pakiet dokumentów, wydanych w celu potwierdzenia zgodności z wymaganiami Programu oraz nadania praw do stosowania znaków towarowych PV Quality Mark i PV Quality Seal na produktach; pakiet obejmuje: Certyfikat PV, Raport Zgodności produktów PV, raport z badań testowych, dodatkowe uwagi i spostrzeżenia, sprawozdanie z audytu, dokumentację z kontroli/nadzoru,
- Certyfikat PV – dokument wydawany przez organ certyfikacji,
- PV Quality Mark – unikalny znak towarowy dla komponentów PV (wzór na rysunku 3a).
- PV Quality Seal – unikalny znak towarowy dla systemów PV (wzór na rysunku 3b).
- unikalny numer identyfikacyjny – numer ID nadawany poszczególnym członkom Programu,
- Umowa licencyjna PV Quality Mark i PV Quality Seal – umowa pomiędzy NCB (National Certification Body) oraz Electrosuisse (oficjalny właściciel znaków towarowych),
- Umowa o świadczeniu usług serwisowych dotyczących produktów PV – umowa pomiędzy NCB a klientem, uprawniająca klienta do stosowania znaków towarowych.
Zakres obowiązków NCB, CBTL i producenta
Do zadań jednostek certyfikujących (NCB) w Programie PV GAP należą:
- zawarcie umowy licencyjnej z właścicielem znaków towarowych (Elektrosuisse),
- autoryzacja stosowania PV Quality Mark i/lub Seal przez klienta w ramach określonych wymagań,
- zapewnienie przeprowadzenia programu kontroli/nadzoru w toku produkcji,
- kontrola akredytowanych laboratoriów badawczych CBTL (Certification Body Testing Laboratory), biorących udział w Programie,
- zapewnienie udziału w Programie przeszkolonego personelu według obowiązujących norm IEC oraz procedur operacyjnych dla IECEE.
- CBTL jest odpowiedzialny za następujące zadania:
- przestrzeganie wymagań Programu w stosunku do testowania i dokumentowania zgodności produktów fotowoltaicznych,
- zapewnienie wykwalifikowanej kadry, zgodnie z wytycznymi NBC.
Do obowiązków Producenta zalicza się:
- utrzymanie systemu zarządzania ISO 9000 w każdej z fabryk zgłoszonej do PV GAP,
- podpisanie umowy o świadczeniu usług serwisowych z NBC,
- przestrzeganie warunków określonych w umowie, wytycznych zgodnych z odpowiednimi normami i specyfikacjami produktów oraz wymogami programowymi PV GAP.
Wykaz akredytowanych jednostek i laboratoriów IECEE certyfikujących PV zamieszczono w tabeli 3.
Tab. 3. Wybrane akredytowane jednostki i laboratoria certyfikujące ogniwa fotowoltaiczne
Przebieg procesu certyfikacji
Rys. 4. Schemat procesu certyfikacji w Programie PV GAP [6]
Proces składania wniosków, oceny i certyfikacji, wydania Dokumentacji Autoryzacji PV w celu przedstawiono na rysunku 4. Ubieganie się o znak towarowy PV rozpoczyna się od złożenia do NCB:
- formalnego wniosku o wydanie licencji na znak towarowy PV GAP,
- informacji dotyczących zgłaszanych produktów (komponentów lub systemów PV),
- proponowanego wykorzystania PV Quality Mark i/lub Seal, np. w dokumentacji technicznej, na opakowaniach, w materiałach promocyjnych,
- wykazania, że system zarządzania producenta obejmuje odpowiednie środki w celu ochrony znaków towarowych.
NCB wraz ze swoją jednostką badawczą (CBTL) prowadzi pełną dokumentację oceny produktu, zgodnie z normami i procedurami IECEE. Jednostka certyfikująca dokonuje wstępnej oceny fabryki wnioskodawcy oraz oceny zgodności procedur z Programem PV GAP. Po pozytywnym zakończeniu procesu certyfikacji NCB wydaje Dokumentację Autoryzacji PV zawierającą Certyfikat PV uprawniający do wykorzystywania znaku towarowego.
Znak jakości PV
Kopie znaków jakości PV Quality Mark i PV Quality Seal (wzory: rysunek 3.) muszą spełniać określone wytyczne, dotyczące proporcji i wymiarów. Numer identyfikacyjny NBC powinien być umieszczony jak na rysunku, przy czym wysokość znaków nie może być mniejsza niż 10 mm. Znaki powinny być umieszczone tylko na produktach lub w ich dokumentacji, na opakowaniach i w materiałach promocyjnych, objętych ważnym Certyfikatem PV i potwierdzonych Raportem Zgodności PV.
PV Quality Mark może być umieszczany wyłącznie na komponentach fotowoltaicznych, używanych w systemach fotowoltaicznych (np. moduły PV, złącza, regulatory, sterowniki, falowniki, baterie, materiały). PV Quality Seal może być wykorzystywany jedynie do systemów PV, takich jak: domowe systemy fotowoltaiczne, oświetlenie uliczne lub inne systemy zasilane przez moduły PV.
System IECRE
Pod koniec 2014 roku IEC rozpoczęła wdrażanie Systemu IECRE (System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Renewable Energy Applications), obejmującego sektory energetyki odnawialnej, wytwarzające energię elektryczną ze źródeł odnawialnych, w tym również sektor fotowoltaiki. Głównym celem IECRE jest ułatwienie międzynarodowego handlu urządzeń i usług branży OZE, przy zachowaniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa, poprzez wprowadzenie jednego, globalnego, spójnego i efektywnego systemu certyfikacji. System opiera się normach IEC i ISO, natomiast szczegółowa organizacja i procedury nie zostały jeszcze określone [7].
Certyfikacja ogniw PV w Polsce
W Polsce brak jest zarówno jednostki certyfikacyjnej, jak i akredytowanych laboratoriów testowych. Istnieje natomiast kilka laboratoriów zajmującymi się testowaniem ogniw fotowoltaicznych w ramach inspekcji weryfikacji technologii środowiskowych (np. Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, a docelowo również Centrum Badawcze Polskiej Akademii Nauk w Jabłonnie).
Certyfikacja instalatorów systemów fotowoltaicznych
Oddzielnym, obszernym zagadnieniem związanym z technologią PV jest certyfikacja instalatorów systemów fotowoltaicznych. W skali międzynarodowej procedurę certyfikacji instalatorów ma docelowo obejmować System IECRE.
W przypadku rynku europejskiego aktualnie wdrażanym systemem jest Program PVTRIN Inteligent Energy- Europe (IEE), wspierany przez Komisję Europejską i obejmujący szkolenia oraz certyfikację. Celem programu jest stworzenie podstaw do przyjęcia wspólnych wytycznych w państwach członkowskich Unii Europejskiej oraz pokrycie zapotrzebowania na wykwalifikowaną kadrę instalatorów. Początkowo program ma być realizowany w sześciu krajach: Bułgarii, Chorwacji, Cyprze, Grecji, Hiszpanii i Rumunii [9].
Polskich instalatorów systemów PV nie obowiązują obecnie wymogi certyfikacji, z powodu braku odpowiednich regulacji. W związku z tym, zakładając ożywienie w branży fotowoltaicznej, Polskie Towarzystwo Fotowoltaiki zaproponowało stworzenie Programu Certyfikacji Mikrosystemów OZE (PCM), którego celem jest zwiększenie społecznego zaufania dla technologii PV oraz wspieranie standardów branżowych, poprzez system przyznawania znaku jakości firmom instalującym małe systemy PV [8].
Podsumowanie
Wydajność ogniw fotowoltaicznych jest zależna od temperatury pracy modułów, lokalizacji instalacji, natężenia promieniowania słonecznego i warunków pracy [2], co powoduje, że parametry eksploatacyjne ogniw różnią się od danych zawartych w certyfikatach. Jednak używanie materiałów certyfikowanych daje większą gwarancję na zgodność parametrów ogniw z deklaracjami producenta.
Bardzo ważnym aspektem produkcji ogniw fotowoltaicznych jest również wpływ ich produkcji na środowisko naturalne, który nie został opisany w niniejszym artykule; więcej informacji można znaleźć na ten temat w miesięczniku „elektro.info” [1].
Literatura
- Bakoń T., Wpływ produkcji i recyklingu elektrowni fotowoltaicznych na środowisko, elektro.info 1-2/2015, ss. 78-81
- Bakoń T., Wpływ wybranych czynników eksploatacyjnych na sprawność ogniw fotowoltaicznych, elektro.info 5/2015, ss. 82-84
- Basso T.S., Chalmers S., Barikmo H.O., PV Standards Work: Photovoltaic System and Component Certification, Test Facility Accreditation, and Solar Photovoltaic Energy Systems International Standards, Conference Paper NREL/CP-560-38972, 2005
- Osterwald C., Practical Handbook of Photovoltaic, Ch. III-2- Standards, Calibration, and Testing of PV Modules and Solar Cells, Elsevier, 2012
- IECEE PV Certification: The sure way to safety quality and performance- System of conformity assessment schemes for electrotechnical equipment and components, IECEE Publications, 2010
- IECEE PV Program- Procedure for certification of photovoltaic (PV) products and the use of the IECEE PV Quality Mark and PV Quality Seal, IECEE Publications, 2010
- IEC System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Renewable Energy Applications - Basic Rules, IECRE Publications, 2014
- Pietruszko S., Certyfikacja mikrosystemów OZE, Czysta energia 4/2015, s. 33
- PVTRIN-Training of Photovoltaic Installers in Europe, www.pvtrin.eu/home/index.html (dostęp 15.04.2015)
- Real M. (red.), Quality assured- PV GAP global quality label based on IECEE certification, Renewable Energy World, 2004
![Rys. 4. Schemat procesu certyfikacji w Programie PV GAP [6]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/wybrane-aspekty-rys4.jpg)
