Impact of hailstorm on PV modules - hail resistance tests on modules with different angle of incidence and preaging conditions

Climate change is leading to an increase in extreme weather event, including hailstorms. Both the severity and frequency of hailstorms have risen, leading to a notable rise in average hailstone diameter and the number of hail reports. This thesis investigates the effects of hail impact on photovoltaic (PV) modules, focusing specifically on power loss, glass failure and cell damage. More in detail, it analyses the impact of specific field conditions such as the tilting of a module or the incidence angle respect to an iceball or different aging conditions, reproduced through accelerated aging or mechanical stress applied on the modules. The experiment is made in collaboration with SUPSI PVLab, the only accredited laboratory in Switzerland for tests on PV modules such as I-V characterization, Electroluminescence and UV picturing, Hail resistance, Damp heat and mechanical load. The experiment is designed as a sequence of non-standard HAR tests on the selected modules, with different tilt angles and pre-aging conditions, interspaced by EL imaging and electrical measurements in order to evaluate and monitor the impact of iceballs on the PV cells and on the performance. The EL pictures are also used as a basis for a crack analysis. Major findings show that iceballs impacted non perpendicularly on the modules are less likely to cause the front glass breakage and also cracks on the cells. Tilted modules require higher kinetic impact energy to create cracks. The electrical performance of the module decreases depending on the type of damages created on the modules’ cells; the harsher decrease it’s found when new cracks cause dark areas due to partial electrical disconnection or badly damaged cells. The worst damaged cells are usually consequence of higher number of shots withstood by the module. The different types of defects pre-existent on the cells have different probability of initiating cracks and requires different impact kinetic energy. Most of those types of defects can be avoided improving the soldering phase.

Il cambiamento climatico sta portando a un aumento degli eventi meteorologici estremi, inclusi eventi di grandine. Sia la gravità che la frequenza delle grandinate è aumentato, con un notevole incremento del diametro medio dei chicchi di grandine e del numero di segnalazioni. Questa tesi esamina gli effetti dell’impatto della grandine sui moduli fotovoltaici (FV), concentrandosi in particolare sulla perdita di performance, il danneggiamento del vetro e delle celle. Più in dettaglio, analizza l’effetto di specifiche condizioni sul campo, come l'angolo di inclinazione del modulo o di incidenza rispetto ad un chicco, oppure le diverse condizioni di invecchiamento, riprodotte tramite invecchiamento accelerato o stress meccanico applicato sui moduli. L’esperimento è stato realizzato in collaborazione con il SUPSI PVLab, l'unico laboratorio accreditato in Svizzera per i test sui moduli fotovoltaici, quali la caratterizzazione I-V, l'elettroluminescenza e la fotoluminescenza, la resistenza alla grandine, e test di resistenza al carico meccanico statico o invecchiamento accelerato tramite “Damp Heat”. L’esperimento è progettato come una sequenza di test HAR non standard sui moduli selezionati, con angoli di inclinazione diversi e condizioni di invecchiamento, intervallati da EL e misurazioni elettriche per valutare e monitorare l’impatto della grandine simulata sulle celle FV e sulla performance. Le immagini EL vengono anche utilizzate come base per un’analisi delle cricche. I principali risultati mostrano che le palle di ghiaccio impattate non perpendicolarmente sui moduli hanno meno possibilità di causare la rottura del vetro frontale e cricche sulle celle. I moduli inclinati richiedono un'energia cinetica di impatto maggiore per creare cricche. La performance elettriche del modulo diminuisce a seconda del tipo di danno creato sulle celle del modulo; la diminuzione più significativa si riscontra quando nuove crepe causano aree scure nel EL dovute a disconnessione elettrica parziale o celle gravemente danneggiate. Le celle più danneggiate sono solitamente dovute ad un numero maggiore di colpi sopportati dal modulo. I diversi tipi di difetti preesistenti sulle celle hanno probabilità diverse di innescare cricche e richiedono diverse energie cinetiche di impatto. La maggior parte di questi difetti può essere evitata migliorando la fase di saldatura.