Skugg- och föroreningssäsong: hur löv och fågelspillning utlöser hot spots i solcellsmoduler?

Innehåll

1. Inledning
2. Hur uppstår hot spots i solcellsmoduler?
3. Vilka föroreningar utlöser hot spots lättast?
4. Hur stor påverkan har hot spots på ett PV-system?
5. Hur identifierar och åtgärdar man hot spots?
6. Hur förebygger man systematiskt hot spots i PV-system?

Inledning

När höst och vinter kommer utsätts såväl företags- som hemmabaserade PV-system allt oftare för skuggning och föroreningar. Vanlig fågelspillning, upplagda löv och dammavlagringar kan få oväntade konsekvenser. Varför leder lokal skuggning till överhettning av en hel modul? Hur kan en liten fläck försämra hela anläggningens elproduktion?

Jämfört med skyfall och värmeböljor är hot spots orsakade av föroreningar mer dolda och lättare att förbise. De kanske inte skadar omedelbart, men över tid byggs värmestress upp, vilket orsakar effektförlust, glassprickor och till och med modulhavari. När avvikande produktion väl uppmärksammas är orsaken ofta svår att spåra.

Hot spots orsakade av föroreningar är inte slumpmässiga, utan utgör en strukturell risk. Utan tidig identifiering och skyddande design kommer de att återkomma under högföroreningssäsongerna, vilket äventyrar driftssäkerheten och produktionseffektiviteten.

1. Hur uppstår hot spots i solcellsmoduler?

En hot spot är ett lokalt område i en modul där en cell värms upp onormalt mycket. Orsaken är inte temperaturen i sig, utan skuggning. När föroreningar som fågelspillning eller löv täcker en cell kan den inte längre generera elektricitet. Strömmen blockeras, och cellen hamnar i ett omvänt polsatt tillstånd – den förbrukar i stället energi och värms upp, vilket bildar en hot spot.

Men problemet stannar inte vid en enskild cell. För att öka spänningen är 60–100 celler ofta seriekopplade i en modul, och flera moduler i en string. Om bara en cell begränsas, sjunker strömmen i hela stringen. Redan 5 % skuggning kan ge över 30 % effektförlust. Ju mer koncentrerad skuggningen är och ju högre ström, desto snabbare och kraftigare blir hot spot-bildningen.

En bypass-diod kan vid allvarlig skuggning koppla bort den drabbade delen, men kräver 0,5–0,7 V omvänd spänning för att aktiveras. Vid tät skuggning, som fågelspillning, uppstår hot spots ofta innan dioden hinner reagera. Utan rätt modul- och livsmiljöanpassning återkommer hot spots och kan på sikt leda till termiska skador på encapsuleringen, juotpunktsförbränning eller glasbrott.

2. Vilka föroreningar utlöser hot spots lättast?

Fågelspillning

Fågelspillning är den mest typiska och mest riskfyllda källan till hot spots i PV-system. Kärnproblemet ligger inte i hur stor yta som skuggas, utan i skuggans koncentration och fullständiga ljusblockering. En liten fläck fågelspillning som helt täcker en enda cell orsakar allvarlig strömavbrott i en seriekopplad krets.

I en solcellsmodul är alla celler seriekopplade, vilket kräver att strömmen är konstant. När en cell täcks av fågelspillning kan den inte längre generera el, men strömmen tvingas ändå genom hela stringen. Den täckta cellen går in i ett omvänt polsläge, vilket skapar en hot spot.

Dessutom har fågelspillning dålig värmeledningsförmåga, och det organiska material som kvarstår efter avdunstning av fukt har svårt att avleda värme, vilket leder till kraftig värmekoncentration. Enligt inspektionsdata från DNV stiger den lokala temperaturen under fågelspillning ofta mellan 35 °C och 70 °C, betydligt mer än vid andra kontamineringstyper. Om bara en cell (cirka 2 % av modulens yta) är helt täckt, kan modulens effekt minska med 25 %–30 % och hot spot-effekten uppträder snabbt.

Lövförorening

Hot spot-risken från löv skiljer sig från fågelspillning och beror på täckeform och varaktighet. Ett ensamstående löv släpper vanligtvis igenom 20 %–40 % av ljuset. Vid utspridd lövtäckning minskar instrålningen och produktionseffektiviteten sjunker, men strömmen förblir jämn, vilket gör att hot spots inte bildas lätt.

När löv däremot samlas, särskilt när de är våta, sjunker ljusgenomsläppet snabbt under 10 %. Då går flera celler i det täckta området in i svag eller ingen elproduktion, den lokala strömmen blockeras och omvänd polarisering uppstår. Enligt IEA PVPS Task 13-rapporten är bypass-dioden i mitten av modulen ofta fördröjd, och den lokala temperaturökningen kan vara 20 °C–40 °C.

Denna risk är tydligt säsongsbetonad. Utan regelbunden rengöring kan lövansamlingar bilda flera spridda hot spots och äventyra säker drift av hela stringen.

Dammförorening

Den största risken med damm handlar inte om hot spots utan om en kontinuerlig minskning av den totala elproduktionen. Till skillnad från fågelspillning och löv täcker damm ytan jämnt och påverkar den totala bestrålningen.

Vid jämn, svag belysning sjunker den fotogena strömmen synkront i alla celler, och strömmen förblir balanserad, vilket förhindrar lokal omvänd polarisation. Även om dammet täcker 80 %–90 % av ytan orsakar det alltså inga direkta hot spots. Termografin visar i regel temperaturvariationer under 5 °C på grund av damm.

Enligt studien från NREL om energi­förluster från solcellsdamm leder dammföroreningar generellt till 3 %–7 % lägre produktion. Om damm samlas samtidigt som fågelspillning eller mossa på samma ställe kan lokala hot spots ändå uppstå och påverka produktionen långsiktigt.

Mossförorening

Mossans farlighet ligger i dess fasta placering, långvariga täckning och höga värmelagring. Mossa växer ofta i vatten­samlingsområden längs modulramen, där den sitter länge och skapar en halvpermanent lokal skugga utan tydlig säsongsvariation.

Den elektriska reaktionen liknar den vid fågelspillning: cellerna under mossan producerar kontinuerligt begränsat med ström, den seriekopplade strömmen tvingas igenom och omvänd polarisation uppstår. Dessutom innehåller mossan mycket fukt och har dålig värmeledningsförmåga, vilket gör att värmen stannar kvar.

Termografin från TÜV Rheinland visar att celltemperaturen under moss­täckning oftast stiger med 25 °C–35 °C. Denna kroniska hot spot minskar inte bara elproduktionen utan påskyndar också inkapslingens åldrande, bränner lödpunkter och kan ge mikrosprickor i glaset.

3. Hur mycket påverkar hot spots ett PV-system?

Effektnedgång: kontinuerlig minskning av produktionen

Hot spots är en av de största riskerna för att modulernas effekt kvarstår på en lägre nivå. När en enskild cell hamnar i omvänd polarisation slutar den producera ström och blir istället en permanent energiförbrukare. Detta orsakar inte bara ett lokalt fel, utan förstärks snabbt genom den seriekopplade strukturen: om en cell begränsas sjunker strömmen i hela stringen, och modulens effekt minskar tydligt.

Även vid endast 2 %–5 % skuggning kan modulens effektnedgång ofta vara 20 %–35 %. Vid förekomst av flera hot spots kan den totala produktionen i en hel string sjunka med över 40 %. Denna effektminskning är inte en engångshändelse, utan adderas varje gång skuggning eller förorening återkommer, vilket gradvis äventyrar systemets långsiktiga prestanda.

Ännu allvarligare är att upprepad exponering för hot spots ofta leder till en årlig produktionsminskning på 5 %–10 %. Ett litet lokalt problem kan utvecklas till ihållande förluster på string- eller systemnivå, och kan till och med utlösa sekundära elektriska fel.

Inkapslingsskador: påskyndad materialåldring

Den höga, långvariga värmen från hot spots är den främsta orsaken till accelererad termisk åldring av inkapslingsmaterialet. När den lokala temperaturen länge överstiger 60 °C utlöses omedelbart materialets termiska åldringsprocess. Inkapslingen börjar gulna och korsbindningen tappar kontrollen, vilket sedan utvecklas till bubblor och delaminering, och inleder en irreversibel kedja av materialnedbrytning.

Delaminering medför att inkapslingens strukturella skyddsfunktion upphör, samtidigt som ljusgenomsläppet kontinuerligt minskar. Kaviteterna i hot spot-området vidgas gradvis och bildar kanaler för fuktinträngning. Korrosionen som följer av fuktföringen förvärrar lödpunktsutmattning och brott i ledningsnätet, vilket leder till en kombination av materialåldring och elektriska fel.

Tester av hot spot-åldring från TÜV Rheinland och NREL visar att bubblor och delaminering under hot spot-påverkan vanligtvis uppträder inom 12–24 månader, långt tidigare än en normal moduls naturliga åldringskurva (8–10 år). Än mer fördolt är att inkapslingsfel som orsakas av hot spots ofta börjar inifrån och är osynliga utifrån, men påverkar i slutändan modulens optiska prestanda, strukturella stabilitet och långsiktiga energiproduktion.

Elektriska fel: förstörda lödpunkter och avbrott

Hot spots leder inte bara till materialåldring, utan påverkar även modulens elektriska förbindningar. Den lokala höga temperaturen verkar kontinuerligt på lödpunkter, bussbarre och samlingsskenor, vilket orsakar termisk utmattning i metaller. Särskilt vid långvarig belastning på 90 °C–120 °C kan lödtennet omkristalliseras, få mikrosprickor och brinna, vilket kraftigt försämrar lödfogarnas tillförlitlighet.

När lödpunkterna försämras uppstår även sprickor i bussbarre och samlingsskenor på grund av termiska spänningar och strömbelastning. Så snart strömvägen bryts tvingas bypass-dioden att aktiveras frekvent, vilket leder till lokal omlänkning av strömmen och fortsatt minskad elproduktion. Ett avbrutet kretslopp gör att modulen kopplas ur, skapar spänningsobalans i stringen och kan till och med orsaka jordfelsproblem.

Enligt inspektionsrapporter från DNV och PVEL drabbas över 18 % av moduler med hot spots av elektriska fel som lödfogsförbränning, bussbar-sprickor eller smälta samlingsskenor. Jämfört med naturlig åldring uppstår hot spot-relaterade elektriska fel snabbare och sprider sig aggressivt, ofta från enstaka punkter till elektriska avvikelser på stringnivå.

Strukturella skador: från mikrosprickor till glasexplosioner

Den lokala höga temperaturen som orsakas av hot spots påverkar inte bara modulens elektriska och inkapslingskomponenter, utan utgör även ett direkt hot mot dess strukturella integritet. Upprepad termisk påfrestning på glaset, solcellerna och lödfogarna leder till expansions- och sammandragningscykler, vilket koncentrerar spänningar. I miljöer med stora temperaturväxlingar mellan dag och natt eller under extrema klimatförhållanden blir hot spot-områden särskilt strukturellt sårbara.

Under denna termomekaniska belastning börjar solcellerna utveckla mikrosprickor, som växer längs spänningskoncentrerade zoner. När sprickorna växer leder det till revor i inkapslingslagret, vridna ramar och sprickor i glasets hörn eller genomgående sprickor i mitten. Dessa mikrosprickor kan eskalera till glasexplosioner och sprucken inkapsling, vilket resulterar i att modulen blir strukturellt instabil.

Enligt DNV och PVEL:s branschdata är sannolikheten för mikrosprickor i moduler med hot spots mer än 2,5 gånger högre än i normala moduler, och cirka 12 % utvecklas till synliga sprickor eller fullständig glasexplosion. Denna typ av strukturell skada leder till minskad ljustransmission och ihållande inträngning av fukt, vilket i kombination med inkapslingsfel och elektrisk försämring kraftigt förkortar modulens livslängd.

4. Hur identifierar och hanterar man hot spots?

Upptäck hot spots via data och fysiska signaler på plats

Hot spots upptäcks vanligtvis genom onormal elproduktion och fysiska defekter. Den tydligaste indikationen är effektnedgång, där en strängs uteffekt ligger betydligt under övriga i samma system. Strömobalans är ett annat typiskt symptom, där DC-strömmen är lägre än normalt utan att förklaras av väderstreck, skuggning eller systemkonfiguration. Växelriktaren visar ofta felkoder som "strängobalans" eller "DC-avvikelse". I IV-kurvor visar sig hot spots som kollapsad strömskuldra, bakåtdragning och aktiverade bypass-dioder, vilket signalerar elektrisk skada.

Fysiska signaler på plats inkluderar lokala föroreningar (fågelspillning, löv, mossa), bubblor i inkapslingen, delaminering, fuktinträngning, samt sprucket glas eller deformerade ramar. Kombinationen av nedsmutsning och effektnedgång indikerar ofta föroreningsorsakad hot spot, medan inkapslingsskador med långvariga strömavvikelser antyder strukturell eller elektrisk hot spot. Jämn damm orsakar endast generell effektsänkning och leder inte till hot spots. Genom att korsa dataavvikelser med visuella defekter kan misstänkta moduler snabbt identifieras.

Bekräfta hot spots med hjälp av mätverktyg

Termografi (IR-inspektion) är det mest direkta sättet att identifiera hot spots. En ytlig temperaturskillnad ≥10°C tolkas normalt som en möjlig hot spot; skillnader under 5°C beror ofta på naturliga kylskillnader. Inspektionen bör utföras vid hög solinstrålning och full belastning för att undvika felbedömning.

• EL-test (elektroluminescens) används för att upptäcka mikrosprickor, brutna fingerskenor, delaminering och andra osynliga defekter, särskilt i hot spots tidiga skede eller vid strukturella fel.
• IV-kurvtest fokuserar på elektriska anomalier. Karakteristiska tecken är kollapsad strömskuldra, negativ förskjutning och bypass-aktivering. Testet lokaliserar inte defekten, men bekräftar förekomst av strömobalans eller bypass-fel.
• IR-drönare används ofta i större solparker för att snabbt hitta heta punkter. För takmonterade system används främst handhållna termokameror, kompletterade med EL-inspektion för strukturella skador och IV-test för elektriska fel.

Genom att kombinera termografiska avvikelser, elektriska kurvor och strukturella bilder kan hot spots noggrant spåras till förorening, konstruktionsfel eller elektrisk defekt, vilket ger tydlig vägledning för åtgärd.

Välj rätt åtgärd utifrån orsaken till hot spots

Oavsett vilken typ av hot spot som identifieras gäller huvudregeln:
Föroreningsrelaterade hot spots kan repareras, medan strukturella och elektriska måste ersättas.

• Föroreningsorsakade hot spots är reversibla och kan åtgärdas genom frekvent rengöring och riktad underhåll. Vid upprepade föroreningar – särskilt på takåsar, utstickande delar eller fuktiga områden – bör fågelspärrar installeras och dränering förbättras.
• Strukturella hot spots, såsom bubblor i inkapslingen, delaminering eller mikrosprickor, är irreversibla fel. När dessa bekräftas måste modulen omedelbart bytas ut, då fortsatt drift förvärrar material- och elskador.
• Elektriska hot spots uppstår ofta vid brända lödpunkter, avbrutna samlingsskenor eller fel i bypass-dioder. Temporära bypass-fel kan tillfälligt isoleras, men alla elfel som medför värmeutveckling kräver omedelbart byte.

Etablera mekanismer för förebyggande av hot spots och riskkontroll

Nyckeln till förebyggande av hot spots är att eliminera de utlösande faktorerna och upprätthålla en sluten riskövervakningsmekanism. Fullständig riskkontroll kräver två nivåer av mekanismer: dels miljö- och konstruktionsskydd, dels tidig upptäckt av fel och snabb avveckling, för att bilda en kontinuerlig sluten krets från förebyggande till åtgärd.

Föroreningsrelaterade hot spots förlitar sig på regelbunden rengöring, förbättrad dränering och åtgärder mot fåglar för att minska återkomst.

Strukturella och elektriska typer kräver kontroll av modulens kvalitet och installationsstandarder. Under byggfasen är det avgörande att eliminera koncentrerade spänningar och svetsdefekter.

Under drift kombineras daglig termografisk screening med årlig djupgående inspektion för att upprätthålla en normaliserad övervakningsrutin.

5. Fem. Hur kan hot spots i solcellssystem förebyggas systematiskt?

(1) Förebygg hot spots genom modulstruktur

Modulens struktur avgör om skuggning leder till hot spots. Moduler med design som tredelade celler, flera huvudledare eller helbaksidiga kontakter kan effektivt sprida lokal strömojämnhet och minska risken för hot spots.

Tredelade celler delar upp den elektriska zonen ytterligare, vilket begränsar påverkan av skuggning till ett mindre område. Flera huvudledare erbjuder fler strömsamlingsvägar, vilket förhindrar strömkonsolidering. Halvceller minskar strömtätheten i varje bana genom parallellfördelning. IBC-moduler (Interdigitated Back Contact) har mycket korta strömvägar och inga skuggande komponenter på framsidan, vilket ger det starkaste motståndet mot skuggning hittills.

Dubbelglasmoduler med bifacial design har inte en elektrisk struktur som direkt förhindrar hot spots, men i miljöer med hög reflektivitet kan baksidans elproduktion delvis kompensera för effektförlust orsakad av framsidans skuggning.

(2) Minska risken för hot spots genom installation och layout

Installation och layout är avgörande steg för att förebygga hot spots. Skuggning orsakas främst av takets struktur, omgivande miljö och ansamlad smuts under långvarig drift. Genom att planera modulernas layout och vidta skyddsåtgärder på plats kan risken för hot spots minskas effektivt.

I installationsfasen beror hot spot-risken främst på skuggning och föroreningar. Vanliga skuggkällor inkluderar takåsar, takbröst, ventilationsrör, avgasrör samt omkringliggande byggnader eller trädskuggor. Skuggning varierar dessutom beroende på säsong, solhöjd och växtlighet. Modulfältet bör undvika dessa högriskzoner, särskilt skuggor från takåsar, utskjutande delar och dräneringsrännor. Det rekommenderas att modulerna placeras minst 30–50 cm från upphöjda objekt för att säkerställa jämn belysning inom strängen och undvika strömojämnhet orsakad av lokal skuggning. På tak med fasta skuggor bör layouten justeras eller skuggade områden tas bort från designen.

Under drift bör hot spots orsakade av föroreningar inte förbises. Genom att installera fågelspikar, lövskydd och se till att dräneringen fungerar väl samt minska fuktiga områden, kan risken för att smuts ansamlas och orsakar hot spots reduceras effektivt. Norrvända eller skuggiga tak bör kontrolleras regelbundet för mossbildning. I situationer där skuggning inte helt kan undvikas kan användning av inverterare med flera MPPT, mikroinverterare eller optimerare minska effekttappet. Dock kan elektrisk optimering endast förbättra utgångseffekten och inte eliminera hot spots.

(3) Kontrollera långsiktiga risker genom ett effektivt drift- och underhållssystem

Enligt drift- och underhållsstatistik från DNV och IEA kan regelbunden rengöring minska förekomsten av föroreningsrelaterade hot spots med cirka 70 %, vilket effektivt lindrar lokala temperaturökningar och effektförluster som orsakas av löv och fågelspillning under höst och vinter.

Föroreningar är dock bara en av orsakerna. Hot spots är i grunden inte slumpmässiga, utan strukturella risker som drivs av miljöförändringar, komponentåldrande, materialnedbrytning och elektrisk stress, och de sträcker sig över hela livscykeln för ett solcellssystem. Jämfört med statisk designoptimering innebär drift- och underhållssystemet ett dynamiskt hanteringsansvar för denna typ av långsiktiga risker.

I faktisk drift uppvisar hot spots orsakade av föroreningar och de som är av strukturell eller elektrisk natur helt olika riskprofiler.

De förra drivs av säsongsvariationer och miljöfaktorer och kräver frekventa inspektioner och omedelbar rengöring för att kontinuerligt minska deras inverkan.

• De senare uppstår från materialutmattning, elektrisk obalans eller tillverkningsfel i själva komponenten och måste hanteras genom regelbundna djupgående tester och tidiga åtgärder.
• Utan effektiv hantering utvecklas hot spots från lokala värmeanomalier till kapslingsförsämring, lödpunktserosion och strömobalans, vilket till slut leder till att hela strängar kopplas bort och orsakar strukturella effektförluster i systemet på lång sikt.

Ett effektivt drift- och underhållssystem utgör kärnan i riskhanteringskedjan för hot spots. Dess funktion är inte begränsad till ytrengöring eller reparation av fel, utan består i att kontinuerligt kvantifiera avvikelser, fånga upp risktrender och dynamiskt justera inspektionsfrekvens, teststrategier och felsvar genom mångdimensionella övervakningsverktyg som termografi, EL-tester och IV-kurvor, för att upprätthålla systemets termiska stabilitet och elektriska integritet.

I nuvarande standarder för förvaltning av solenergitillgångar betraktas hot spot-risker som en avgörande strukturell variabel som påverkar produktionen, påskyndar degradering, ökar underhållskostnader och minskar tillgångsvärde. Utan en sluten hanteringscykel sprider sig denna risk oåterkalleligt längs en kurva av prestandaförlust och ökande kostnader.

Att motverka hot spots är inte längre en isolerad underhållsstrategi, utan en grundläggande kapacitet inom ramen för systemets hälsostyrning. Genom samverkan mellan komponentdesign, systemlayout och ett slutet O&M-system kan hot spot-risker omvandlas från potentiella felkällor till kontrollerbara driftgränser – en nödvändig förutsättning för att säkerställa livscykelns energiproduktion och värdestabilitet i solcellssystemet.

Sedan 2008 har Maysun Solar varit både investerare och tillverkare i solenergi-industrin och tillhandahåller zero-investment kommersiella och industriella taklösningar för solenergi. Med 17 år på den europeiska marknaden och 1,1 GW installerad kapacitet, erbjuder vi fullt finansierade solprojekt, vilket gör att företag kan monetarisera tak och minska energikostnader utan initial investering. Våra avancerade IBC, HJT och TOPCon paneler och balkongs solstationssystem säkerställer hög effektivitet, hållbarhet och långsiktig pålitlighet. Maysun Solar hanterar alla godkännanden, installation och underhåll och säkerställer en sömlös, riskfri övergång till solenergi samtidigt som vi levererar stabil avkastning.

Referenser

DNV. (2021). PV Module Reliability Scorecard 2021. DNV Energy Systems. https://www.dnv.com/services/pv-module-reliability-scorecard-2021-200178
PVEL. (2023). PV Module Reliability Scorecard 2023. PV Evolution Labs (PVEL). https://www.pvel.com/pv-module-reliability-scorecard/
NREL. (2022). Påverkan av nedsmutsning på PV-systemets prestanda: Översikt och analys. National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82015.pdf
IEA PVPS Task 13. (2020). Nedsmutsning av fotovoltaiska paneler: Litteraturöversikt, mätning och modellering. International Energy Agency. https://iea-pvps.org/research-tasks/task-13/
TÜV Rheinland. (2021). Kvalitetsrapport: Global tillförlitlighetstestning av PV-moduler. TÜV Rheinland Group. https://www.tuv.com/media/corporate/products_1/renewables_1/solar/solar_quality_monitor.pdf

Rekommenderad läsning: