Nemli ısı testi altında fotovoltaik modüllerde degradasyon kinetiğinin modellenmesi
Modeling of degradation kinetics in photovoltaic modules under damp heat testing
Yazar: MELİKENUR GENÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDÜLKERİM GÖK
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Güneş paneli = Solar panel

Özet:
Gitgide artan CO2 emisyonları, çevre kirliliği, iklim krizleri beraberinde temiz enerjiye olan ihtiyacı getirmiştir. Bu sebeple yenilenebilir enerji kaynağı arayışı birçok araştırmanın odak noktası olmaktadır. Güneş enerjisi, erişimi kolay, maliyeti uygun ve çevre dostu olmasından dolayı en çok odaklanılan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri haline gelmiştir. Fotovoltaik paneller güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirmekte kullanılan cihazlardır. Bu paneller, yapısında ön/arka tabakalar, kapsülleyici polimerler, güneş hücreleri, bağlantı kutusu ve çerçeve bulundurur. Günümüzde fotovoltaik paneller için yaklaşık 30 yıl kadar performans garantisi verilmektedir. Fotovoltaik panellerin performansı ve kullanım ömrü nem, sıcaklık, UV ışınları gibi dış dünyada maruz kaldıkları streslere karşı dayanıklılığına bağlıdır. Panelin özellikle nem ve sıcaklığa maruz kalması ile yapısında çeşitli degradasyon mekanizmaları ortaya çıkar. Bunlardan en yaygını potansiyel kaynaklı degradasyon ve hücre metalizasyonunda korozyondur. Bu iki degradasyon çeşidi panelin performans kaybetmesine yol açar ve kullanım ömrünü kısaltır. 
Günümüzde fotovoltaik panellerde en çok kullanılan kapsülleyici malzeme etilen vinil asetat polimeridir. Etilen vinil asetat, nem ile temasa geçtiğinde kolayca hidroliz reaksiyonlarına uğrayan bir polimerdir ve bunun sonucunda asetik asit oluşturur. Asetik asit meydana gelmesi korozyonu hızlandırdığı için panel gücünün daha hızlı azalmasına sebep olur. Bu sebeple, etilen vinil asetat alternatifi polimerler üzerine araştırmalar yapılmaktadır. İyonomer, poliolefin elastomer ve termoplastik poliolefin tabanlı polimerler, asetik asit meydana getirmedikleri için alternatif kapsülleyici malzeme olarak dikkat çekmektedir. 
Bu çalışma, etilen vinil asetat, iyonomer, poliolefin elastomer ve termoplastik poliolefin polimerleri kullanılarak hazırlanan fotovoltaik panellerin 5000 saatlik nemli-ısı testi altında performans kaybını ve degradasyon kinetiklerini belirlemek için modelleme çalışmalarını içermektedir. Sonuçlar, etilen vinil asetat kullanılan panellerdeki önemli düzeyde bozulmaya rağmen, alternatif polimerler ile hazırlanan panellerin stabilite gösterdiğini ortaya koymaktadır. Akım-gerilim eğrilerinin analizi ve Ağ Yapısal Eşitlik Modeli'nin uygulanması, nemli-ısı testinin neden olduğu degradasyon mekanizmaları ile elektriksel parametreler arasındaki karmaşık ilişkilere dair bilgiler sağlamaktadır. Panelin gücü ile seri direnç ve dolgu faktörü parametreleri arasında güçlü korelasyonlar tespit edilmiştir. Bu çalışma, kapsülleyici seçiminin ve panel yapısı içine nem girişinin önlenmesinin kritik rolünü vurgulamaktadır.

Abstract:
Rising CO2 emissions, environmental pollution, and climate crises have increased the need for clean energy. Consequently, the search for renewable energy sources has become the focus of many studies. Solar energy, due to its easy accessibility, cost-effectiveness, and environmental friendliness, has become one of the most focused-upon renewable energy sources. Photovoltaic modules are devices used to convert solar energy into electrical energy. These modules consist of front/back layers, encapsulating polymers, solar cells, a junction box, and a frame. Nowadays, photovoltaic modules come with a performance warranty of about 30 years. The performance and service lifetime of photovoltaic modules depends on their durability against environmental stresses such as humidity, temperature, UV radiation that they are exposed to during outdoors. Especially, exposure to humidity and temperature can lead to various degradation mechanisms within the module construction. The most common of these are potential-induced degradation and corrosion in solar cell metallization. These two types of degradation lead to a loss of module performance and a reduced service lifetime. 
Currently, the most widely used encapsulant polymer in photovoltaic modules is ethylene vinyl acetate. Ethylene vinyl acetate is a polymer that easily undergoes hydrolysis when in contact with moisture and forms acetic acid. The formation of acetic acid accelerates corrosion, leading to a faster decrease in module power. Therefore, alternative polymers to ethylene vinyl acetate for module encapsulation are currently being investigated. Ionomer, poliolefin elastomer, and thermoplastic poliolefin based polymers are among the highly focused alternatives because they do not produce acetic acid. 
This study includes modeling efforts to determine the performance loss and degradation kinetics of modules encapsulated with ethylene vinyl acetate, ionomer, poliolefin elastomer, and thermoplastic poliolefin under 5000 hours of damp heat testing. The results revealed that, although significant power degradation was observed in the modules with ethylene-vinyl acetate encapsulants, the modules with alternative encapsulant polymers demonstrated stability. The analysis of current-voltage curves and the application of structural equation modeling provided insights into the complex relationships between damp heat induced degradation mechanisms and electrical parameters. Strong correlations were found between module power and parameters such as series resistance and fill factor. This study emphasizes the critical role of encapsulant selection and the prevention of moisture ingress into the module construction.