Ageing and reliability assessment of photovoltaic systems

PV market has grown over past decades, and it is going to develop more and more in the future, becoming a major source of power generation for the world. For this reason, the estimation of long-term performances of PV systems is essential for proper reliability assessment and efficiency evaluation of this technology. As a matter of fact, ageing and long outdoor exposure cause PV modules’ power degradation and the occurrence of defects. In such a context, this thesis introduces the main issues which could affect PV modules, and the related techniques implemented for their investigation. Moreover, it presents a detailed assessment of the testing campaign on the 11,25 kW BIPV plant at the Politecnico di Milano University, which underwent 20 years of operation. Such period is particularly representative because it is equal to the supposed lifetime cycle of a photovoltaic system, which is usually taken into account for technical-economic evaluations. Results obtained after visual inspection, I-V flash test and electroluminescence analysis, show that PV modules analyzed didn’t present a significant decrease in long-term performance, since only one module presents significant failures, while the others exhibit a degradation rate lower than the maximum warranty threshold, set at 20%. Finally, this work highlights the importance of right processing procedures for faulty PV modules. This represents one of the main problems for photovoltaic technology, especially in view of the large amount of waste expected in the coming years. For this reason, the advantages of a circular economy approach are illustrated, revealing which procedures between reusing, repairing and recycling is better to adopt, depending on PV module’s conditions.

Il mercato fotovoltaico è cresciuto negli ultimi decenni e un ulteriore sviluppo è atteso nei prossimi anni, con l’obbiettivo di diventare una delle principali fonti energetiche mondiali. Per questo motivo, risulta essenziale stimare l’evolversi delle prestazioni degli impianti fotovoltaici nel corso degli anni, al fine di valutare l'affidabilità e l'efficienza di questa tecnologia. Infatti, l'invecchiamento e la lunga esposizione all'aperto causano il degrado della potenza prodotta dai moduli fotovoltaici a causa dell'insorgere di difetti. A tal proposito, questa tesi introduce i principali difetti che potrebbero interessare i moduli fotovoltaici e le relative tecniche implementate per la loro indagine. Inoltre, vengono riportati in dettaglio i test effettuati sull'impianto BIPV da 11,25 kW appartenente al Politecnico di Milano, a 20 anni dalla sua installazione. Tale periodo è particolarmente rappresentativo in quanto pari al presunto ciclo di vita di un impianto fotovoltaico che di solito viene preso in considerazione per le valutazioni tecnico-economiche. I risultati ottenuti in seguito a un'ispezione visiva, a un flash test e a un’analisi tramite elettroluminescenza, mostrano che i moduli fotovoltaici analizzati non hanno presentato una diminuzione significativa delle prestazioni a lungo termine, poiché solo uno presenta guasti irreparabili, mentre gli altri presentano un tasso di degrado inferiore al limite di garanzia, fissato al 20% dai produttori dei moduli. Infine, la tesi evidenzia l'importanza delle giuste procedure di lavorazione per i moduli fotovoltaici caduti in disuso. Questo rappresenta uno dei principali problemi per la tecnologia fotovoltaica, soprattutto se si considera la grande quantità di rifiuti previsti nei prossimi anni. Per questo motivo, vengono illustrati i vantaggi che si avrebbero dall’impiego di un’economia circolare in questo settore, riportando quale procedura tra riutilizzo, riparazione e riciclaggio sarebbe meglio adottare, a seconda delle condizioni in cui verte il modulo fotovoltaico.