PID fotovoltaico: degrado indotto dal potenziale

Il PID fotovoltaico è un fenomeno di degrado del potenziale dei moduli fotovoltaici causato dalla differenza di tensione. Scopri le cause e come prevenirlo

Il PID fotovoltaico (potential induced degradation) è un fenomeno elettrico che produce una perdita di potenza nei moduli fotovoltaici. Questo fenomeno si manifesta nel corso di diversi mesi o addirittura anni: infatti viene spesso trascurato all’inizio della vita dell’impianto, mentre diventa più gravoso nelle fasi successive di funzionamento, soprattutto perché non è sempre facile risalire alle cause.

Gli effetti del PID possono essere reversibili e irreversibili. Questi effetti di degrado delle prestazioni del modulo e del sistema possono determinare significativi cambiamenti del business plan dell’impianto. In particolare sono stati riscontrati casi di PID che hanno portato ad una diminuzione della potenza erogata pari al 70% in meno di un anno.

Risulta, quindi, indispensabile monitorare costantemente l’impianto fotovoltaico al fine di individuare i primi segnali di degrado delle performance presenti nel sistema. A tal proposito, per ottenere analisi economiche circa la redditività effettiva dell’impianto, puoi utilizzare il software fotovoltaico.

Analizziamo nel dettaglio cosa causa il PID fotovoltaico, i suoi effetti e le strategie per identificarlo e prevenirlo.

Cos’è il degrado indotto dal potenziale (PID) nei pannelli fotovoltaici?

Il degrado indotto dal potenziale, noto con l’acronimo PID (Potential Induced Degradation), è un fenomeno che può interessare i moduli fotovoltaici quando sono sottoposti a forti differenze di potenziale elettrico rispetto alla massa o alla struttura di supporto dell’impianto. Questo fenomeno provoca una riduzione dell’effetto fotovoltaico, con conseguente depotenziamento delle celle fotovoltaiche. I sistemi avanzati con pannelli fotovoltaici bifacciali possono essere particolarmente sensibili al PID a causa della loro struttura a doppia faccia, che richiede una progettazione e un monitoraggio attenti.

Il PID si verifica quando tra la cella, che costituisce il materiale semiconduttore attivo, e altre parti del modulo, come il vetro, il supporto o il telaio in alluminio, si crea una elevata differenza di potenziale elettrico. Questa condizione è tipica dei sistemi fotovoltaici collegati in stringhe ad alta tensione.

La differenza di potenziale genera una corrente di dispersione all’interno del modulo, che favorisce la migrazione di ioni. Gli ioni negativi tendono a disperdersi verso il telaio in alluminio, mentre gli ioni positivi, in particolare gli ioni di sodio presenti nel vetro, migrano verso la superficie della cella. L’accumulo di questi ioni altera le proprietà elettriche della cella, compromettendo il corretto funzionamento dell’effetto fotovoltaico e causando perdite di potenza.

Il degrado è progressivo nel tempo e può manifestarsi anche nei primi mesi di funzionamento dell’impianto, soprattutto in presenza di condizioni ambientali sfavorevoli, come elevata umidità e alte temperature.

Il fenomeno del PID può interessare le diverse tipologie di pannelli fotovoltaici e non è legato a un difetto di fabbricazione isolato, ma al comportamento complessivo del sistema fotovoltaico, che coinvolge moduli, inverter, schema di messa a terra e condizioni di esercizio. Per questo motivo rappresenta una problematica rilevante sia in fase di progettazione dell’impianto sia durante l’esercizio e la manutenzione.

Tipologie di PID: reversibile e irreversibile

Il degrado indotto dal potenziale può manifestarsi in forme diverse a seconda dell’intensità del fenomeno, della durata dell’esposizione e delle caratteristiche costruttive del modulo fotovoltaico. In base agli effetti prodotti sulle celle e alla possibilità di recupero delle prestazioni, il PID viene generalmente distinto in reversibile e irreversibile.

PID reversibile (polarizzazione)

Si tratta della forma meno grave di degrado indotto dal potenziale. La perdita di prestazioni è dovuta principalmente all’accumulo temporaneo di cariche o ioni sulla superficie delle celle e alla presenza di correnti di dispersione attraverso il materiale di incapsulamento, il telaio e il vetro frontale.

Questo tipo di PID è particolarmente evidente nei moduli posizionati al fondo delle stringhe fotovoltaiche, cioè quelli più vicini al polo negativo, dove la perdita di potenza può arrivare anche fino al 70% in pochi anni.

Se la causa del fenomeno viene rimossa, ad esempio riducendo la differenza di potenziale o intervenendo sulla configurazione dell’impianto, il modulo può recuperare in tutto o in parte la potenza originaria. Il PID reversibile è più frequente nelle fasi iniziali di funzionamento dell’impianto ed è spesso contrastabile con adeguate soluzioni tecniche.

PID irreversibile (elettrocorrosione dello strato TCO)

Questa forma di PID comporta un degrado più profondo e permanente delle celle fotovoltaiche. La migrazione ionica e le correnti di dispersione provocano danni strutturali o chimici, in particolare allo strato TCO (Transparent Conductive Oxide), che compromettono in modo stabile le proprietà elettriche della cella.

Il fenomeno si manifesta soprattutto quando la cornice entra in contatto con l’umidità, innescando una reazione elettrochimica che provoca corrosione dei materiali. In questi casi, anche se si elimina la causa del PID, le prestazioni del modulo non possono essere ripristinate, rendendo necessaria la sostituzione del pannello o una significativa riduzione delle aspettative di rendimento nel tempo.

Per limitare o prevenire il PID irreversibile, si può intervenire sulla scelta dei materiali della cornice oppure utilizzare inverter con separazione galvanica, riducendo le differenze di potenziale responsabili del fenomeno.

Cause principali del PID nei moduli fotovoltaici

Le cause che portano all’insorgenza del degrado indotto dal potenziale nei moduli fotovoltaici sono molteplici e dipendono sia dalle caratteristiche costruttive del modulo sia dalle condizioni elettriche di esercizio dell’impianto. In particolare, i principali fattori che influenzano il PID sono:

qualità delle celle fotovoltaiche: celle di qualità inferiore risultano più sensibili ai fenomeni di deterioramento e quindi maggiormente predisposte allo sviluppo del PID nel tempo;
tipologia del modulo fotovoltaico: la scelta dei materiali di incapsulamento e del vetro frontale influisce sulla facilità con cui gli ioni possono spostarsi all’interno del modulo. Materiali con scarse proprietà isolanti favoriscono la formazione di correnti di dispersione;
proprietà dielettriche del vetro: le caratteristiche dielettriche del vetro utilizzato nei moduli fotovoltaici influenzano la resistività dell’incapsulante e l’entità delle correnti di dispersione, contribuendo in modo significativo all’insorgenza dell’effetto PID;
potenziale elettrico a cui è sottoposto il modulo: la presenza di elevate differenze di potenziale, in particolare di una tensione negativa tra le celle del modulo e la cornice collegata a terra, rappresenta uno dei fattori più critici nello sviluppo del PID. Questa condizione è tipica degli impianti con stringhe fotovoltaiche ad alta tensione;
configurazione dell’impianto fotovoltaico: la disposizione dei moduli nelle stringhe, il sistema di messa a terra e il tipo di inverter installato influenzano il potenziale a cui i moduli sono sottoposti. Una configurazione non adeguata può aumentare il rischio di PID e anticiparne la comparsa anche in impianti di recente realizzazione;
fattori ambientali: le condizioni ambientali in cui opera l’impianto, come elevata umidità e alte temperature, possono ridurre la resistività dei materiali isolanti e favorire le correnti di dispersione, accelerando i meccanismi responsabili del PID.

Fattori ambientali che influenzano il PID nei pannelli fotovoltaici

Tra le cause elencate, i fattori ambientali rivestono un ruolo particolarmente rilevante nello sviluppo del degrado indotto dal potenziale. Elevati livelli di umidità favoriscono la migrazione degli ioni all’interno del modulo, mentre temperature elevate aumentano la conducibilità dei materiali, rendendo più probabile la formazione di correnti di dispersione.

Gli impianti installati in ambienti umidi, costieri o caratterizzati da condizioni climatiche particolarmente severe risultano quindi più esposti al rischio di PID. Anche le escursioni termiche possono contribuire al degrado, poiché sollecitano nel tempo i materiali del modulo e ne modificano le proprietà isolanti.

La combinazione di fattori ambientali sfavorevoli e scelte progettuali non ottimali può anticipare l’insorgenza del PID e amplificarne gli effetti, riducendo la vita utile dei moduli fotovoltaici e le prestazioni complessive dell’impianto.

Come il PID influisce sulle prestazioni e sulla vita utile dei moduli fotovoltaici?

Il degrado indotto dal potenziale incide direttamente sulle prestazioni elettriche dei moduli fotovoltaici e sulla durata nel tempo dell’impianto. Il fenomeno compromette la capacità delle celle di convertire la radiazione solare in energia elettrica, causando una riduzione progressiva della produzione.

Gli effetti principali del PID sulle prestazioni dei moduli includono:

riduzione della potenza erogata, con un calo della produzione energetica complessiva;
diminuzione della tensione e della corrente di uscita, con alterazione della curva I-V, che descrive la relazione tra corrente e tensione del modulo;
peggioramento del rendimento del modulo, inizialmente contenuto ma crescente nel tempo se il fenomeno non viene contrastato;
perdite di potenza anche elevate nei casi più gravi, tali da compromettere la redditività dell’impianto.

Oltre agli effetti immediati sulle prestazioni, il PID influisce anche sulla vita utile dei moduli fotovoltaici:

accelera l’invecchiamento delle celle e dei materiali del pannello;
può causare danni permanenti nel caso di PID irreversibile;
aumenta il rischio di interventi di manutenzione straordinaria o di sostituzione dei moduli.

Infine, poiché il PID non colpisce sempre in modo uniforme tutti i pannelli di una stringa, può generare squilibri di funzionamento tra i moduli, riducendo ulteriormente l’efficienza complessiva dell’impianto.

PID nelle diverse tecnologie fotovoltaiche

Il degrado indotto dal potenziale può manifestarsi in modo diverso a seconda della tecnologia fotovoltaica utilizzata. Le caratteristiche dei materiali, la struttura delle celle e i processi produttivi influenzano infatti sia la probabilità di insorgenza del PID sia le modalità con cui il fenomeno si sviluppa nel tempo.

PID nelle celle fotovoltaiche in silicio cristallino

Nei moduli fotovoltaici in silicio cristallino, il PID è generalmente associato alla migrazione di ioni, in particolare degli ioni di sodio provenienti dal vetro, verso la superficie delle celle. Questo processo altera il campo elettrico interno della cella e riduce la capacità di raccolta delle cariche generate dalla radiazione solare.

Il fenomeno si manifesta più frequentemente nei moduli sottoposti a tensioni elevate rispetto a terra, come quelli posizionati alle estremità delle stringhe. Le perdite di potenza possono diventare significative nel tempo e, se non controllate, possono evolvere da forme reversibili a forme irreversibili di degrado.

PID nelle celle fotovoltaiche a film sottile

Nei moduli a film sottile, ossia nei pannelli in silicio amorfo, il PID assume spesso caratteristiche diverse rispetto al silicio cristallino. In queste tecnologie, il degrado è più comunemente legato a fenomeni di elettrocorrosione degli strati conduttivi trasparenti, come il TCO (Transparent Conductive Oxide), causati dalle correnti di dispersione e dall’interazione con l’umidità.

Il deterioramento degli strati conduttivi comporta una riduzione della conducibilità elettrica e un peggioramento delle prestazioni del modulo. In molti casi, il PID nei moduli a film sottile risulta meno reversibile e può portare a un degrado permanente, soprattutto in presenza di condizioni ambientali sfavorevoli e di una progettazione non ottimale dell’impianto.

Come testare il degrado indotto dal potenziale (PID)?

Per individuare la presenza del degrado indotto dal potenziale è fondamentale eseguire test diagnostici mirati, in grado di evidenziare le alterazioni elettriche e strutturali dei moduli fotovoltaici. Il PID, infatti, non sempre è immediatamente visibile a occhio nudo e può manifestarsi inizialmente solo come una riduzione delle prestazioni dell’impianto.

Le tecniche di prova più utilizzate permettono di analizzare il comportamento elettrico dei moduli e di individuare eventuali anomalie riconducibili a correnti di dispersione o a fenomeni di migrazione ionica. Tra i metodi più efficaci rientrano l’analisi della curva I-V e i test di elettroluminescenza.

Rilevamento del PID tramite analisi della curva I-V

L’analisi della curva I-V (corrente-tensione) consente di valutare il comportamento elettrico dei moduli fotovoltaici attraverso la misura della relazione tra la corrente generata e la tensione ai morsetti del pannello. Confrontando la curva misurata con quella di riferimento fornita dal produttore, è possibile individuare anomalie riconducibili alla presenza del PID.

In caso di degrado indotto dal potenziale, la curva I-V mostra tipicamente una riduzione della tensione, della corrente o della potenza massima, con un conseguente peggioramento del rendimento del modulo. Questo tipo di analisi consente inoltre di valutare lo stato di isolamento elettrico dei pannelli, fornendo indicazioni utili sulla loro salute complessiva.

Il rilievo delle curve I-V permette quindi di individuare perdite energetiche, diagnosticare precocemente problemi legati al PID e pianificare interventi tempestivi, fondamentali per mantenere elevate le prestazioni dell’impianto nel tempo.

Test di elettroluminescenza per l’individuazione del PID

Il test di elettroluminescenza è una tecnica diagnostica avanzata che consente di analizzare lo stato delle celle fotovoltaiche osservandone i livelli di emissione luminosa. In ambito operativo, l’analisi può essere effettuata anche outdoor, permettendo di visualizzare contemporaneamente intere stringhe di moduli.

Applicando una tensione elettrica ai pannelli in condizioni di scarsa illuminazione, le celle emettono una debole radiazione luminosa che viene rilevata tramite sistemi di acquisizione dedicati, come termocamere ad infrarossi. Le differenze nei livelli di emissione consentono di individuare anomalie, zone danneggiate o aree affette da PID.

La presenza del degrado indotto dal potenziale si manifesta generalmente con aree scure o irregolari, indicatrici di celle compromesse dalla migrazione ionica o da correnti di dispersione. Questo metodo permette una localizzazione precisa dei moduli interessati e rappresenta uno strumento efficace per distinguere il PID da altri difetti dei pannelli fotovoltaici.

Come prevenire l’effetto PID fotovoltaico

La prevenzione del degrado indotto dal potenziale rappresenta un aspetto fondamentale nella progettazione, realizzazione e gestione degli impianti fotovoltaici. Poiché il PID è legato al comportamento complessivo del sistema, è possibile ridurne il rischio attraverso una combinazione di scelte progettuali corrette, componenti adeguati e attività di controllo nel tempo.

Buone pratiche per ridurre il rischio di PID negli impianti fotovoltaici

L’adozione di buone pratiche fin dalle prime fasi di progettazione e durante l’esercizio dell’impianto contribuisce in modo significativo a limitare l’insorgenza del PID. In particolare, risultano efficaci le seguenti misure:

utilizzo di materiali di alta qualità, come celle fotovoltaiche e materiali di incapsulamento con buone proprietà dielettriche, in grado di ridurre le correnti di dispersione;
progettazione attenta dell’impianto, tenendo conto delle condizioni ambientali del sito, delle tensioni di esercizio e dello schema di collegamento delle stringhe;
monitoraggio costante delle prestazioni, utile per individuare tempestivamente cali di rendimento riconducibili al PID;
pulizia regolare dei pannelli, che contribuisce a limitare l’accumulo di umidità e contaminanti sulla superficie dei moduli;
verifica periodica delle connessioni elettriche, per prevenire dispersioni di corrente e anomalie che possono favorire il degrado;
implementazione di un cantiere BIM, supportato da un modello digitale integrato dell’impianto, che consenta di pianificare e coordinare la disposizione dei moduli, ottimizzare il layout elettrico, individuare eventuali criticità e programmare interventi di manutenzione.

Queste attività, se integrate in un corretto piano di gestione dell’impianto, permettono di ridurre sensibilmente la probabilità di sviluppo del PID nel tempo.

Scelta di inverter e materiali per evitare il PID

Un ruolo chiave nella prevenzione del PID è svolto dalla scelta degli inverter e dei materiali di sistema. L’utilizzo di inverter progettati specificamente per mitigare il degrado indotto dal potenziale consente di limitare le differenze di potenziale tra i moduli e la massa dell’impianto.

In particolare, inverter con separazione galvanica o con funzioni di gestione del potenziale dei moduli possono ridurre le correnti di dispersione responsabili del fenomeno. Anche la scelta dei materiali della cornice, del vetro e dell’incapsulante influisce in modo significativo sulla resistenza del modulo al PID.

Una corretta selezione dei componenti, abbinata a una progettazione elettrica adeguata, rappresenta quindi una delle strategie più efficaci per prevenire l’effetto PID e garantire elevate prestazioni nel lungo periodo.

Monitoraggio del PID e mantenimento dell’efficienza dell’impianto

Il monitoraggio continuo dell’impianto fotovoltaico è un aspetto fondamentale per individuare precocemente il degrado indotto dal potenziale e limitarne gli effetti sulle prestazioni. Poiché il PID può svilupparsi in modo graduale e non è sempre immediatamente visibile, un controllo costante consente di intervenire prima che le perdite di potenza diventino significative.

Attraverso sistemi di monitoraggio delle prestazioni è possibile rilevare variazioni anomale nella produzione energetica, confrontare il rendimento delle diverse stringhe e individuare moduli che presentano comportamenti non conformi. L’integrazione dei dati di produzione con misure periodiche, come l’analisi delle curve I-V o i test di elettroluminescenza, permette di confermare la presenza del PID e valutarne l’evoluzione nel tempo.

Un monitoraggio efficace facilita inoltre la programmazione degli interventi di manutenzione, riduce il rischio di degradi irreversibili e contribuisce a preservare l’efficienza complessiva dell’impianto. In questo modo è possibile garantire una maggiore affidabilità operativa, prolungare la vita utile dei moduli fotovoltaici e mantenere nel tempo le prestazioni attese dal sistema.

Nelle fasi di progettazione, verifica e gestione degli impianti fotovoltaici, è importante farsi supportare da un software fotovoltaico, in grado di analizzare il comportamento elettrico dell’impianto, valutare le prestazioni delle stringhe e individuare potenziali criticità, come il rischio di degrado indotto dal potenziale. L’utilizzo di questa soluzione di progettazione e simulazione professionale consente di migliorare l’affidabilità del sistema fin dalle prime fasi e di supportare in modo efficace le attività di monitoraggio e manutenzione. Affidati anche tu a questo strumento e ottimizza sin da subito le prestazioni e la redditività del tuo impianto fotovoltaico.

FAQ- PID fotovoltaico

Che cos’è il PID fotovoltaico?

Il PID fotovoltaico, acronimo di Potential Induced Degradation, è un fenomeno di natura elettrica che provoca una perdita progressiva di potenza nei moduli fotovoltaici, riducendo nel tempo le prestazioni dell’impianto.

Il PID colpisce tutti i moduli fotovoltaici allo stesso modo?

No, il PID non colpisce in modo uniforme tutti i moduli di una stringa. Alcuni pannelli, in particolare quelli alle estremità della stringa e più vicini al polo negativo, possono subire un degrado più marcato rispetto ad altri.

Qual è la differenza tra PID reversibile e PID irreversibile?

Il PID reversibile comporta una perdita di prestazioni temporanea che può essere recuperata eliminando la causa del fenomeno, ad esempio riducendo la differenza di potenziale. Il PID irreversibile, invece, provoca danni permanenti alle celle o ai materiali del modulo, rendendo impossibile il ripristino delle prestazioni originarie.

Quanto può ridurre la potenza il PID nei casi più gravi?

Nei casi più critici, il PID può causare riduzioni della potenza erogata anche fino al 70%, con impatti significativi sulla produzione energetica e sulla redditività dell’impianto fotovoltaico.

Quali sono le principali cause del PID nei moduli fotovoltaici?

Le principali cause del PID includono la qualità delle celle, i materiali di incapsulamento e del vetro, le elevate differenze di potenziale tra celle e cornice, la configurazione elettrica dell’impianto e condizioni ambientali come umidità elevata e alte temperature.

In che modo l’ambiente influisce sul rischio di PID?

Ambienti caratterizzati da elevata umidità, temperature alte o forti escursioni termiche favoriscono la migrazione ionica e le correnti di dispersione, aumentando la probabilità di insorgenza e accelerazione del PID.

Il PID influisce sulla vita utile dei moduli fotovoltaici?

Sì, il PID accelera l’invecchiamento dei moduli e, nei casi irreversibili, può causare danni permanenti che riducono la vita utile dei pannelli e aumentano la necessità di manutenzione o sostituzione.

Il PID si manifesta allo stesso modo in tutte le tecnologie fotovoltaiche?

No, il PID si manifesta in modo diverso a seconda della tecnologia. Nei moduli in silicio cristallino è spesso legato alla migrazione di ioni dal vetro, mentre nei moduli a film sottile è più frequentemente associato a fenomeni di elettrocorrosione degli strati conduttivi trasparenti.

Come si può individuare la presenza del PID in un impianto fotovoltaico?

La presenza del PID può essere individuata attraverso test diagnostici specifici, come l’analisi della curva I-V e i test di elettroluminescenza, che permettono di rilevare anomalie elettriche e celle danneggiate.

Perché il monitoraggio continuo è importante per il PID?

Il monitoraggio continuo consente di individuare precocemente variazioni anomale nelle prestazioni dell’impianto, permettendo di intervenire prima che il degrado diventi irreversibile e comprometta la redditività del sistema.

È possibile prevenire il PID negli impianti fotovoltaici?

Sì, il rischio di PID può essere ridotto attraverso una corretta progettazione dell’impianto, la scelta di inverter adeguati, materiali resistenti al degrado e un monitoraggio costante delle prestazioni nel tempo.

 

 

Fonte: Read More