MODELLING AND MONITORING OF MOISTURE TRANSPORT PHENOMENA IN POLYMERIC MATERIALS AND PHOTOVOLTAIC MODULES

V pričujoči doktorski dizertaciji se teoretično in eksperimentalno ukvarjamo s transportom vlage v polimerih s poudarkom na enkapsulacijskih materialih v fotonapetostnih (PV) modulih. Vdor vlage smo merili v nadzorovanih razmerah v klimatski komori z vgrajenimi miniaturnimi senzorji temperature in relativne vlage. Izkazani vpliv samih tipal na merilne rezultate smo kvantitativno opredelili z neodvisno gravimetrično in-situ meritvijo in ga vključili v simulacijske modele. V numerične simulacije smo najprej vključili preprost Fickov difuzijski model, ki je sicer pri nekaterih materialih izkazal zadovoljivo ujemanje, medtem ko je drugje dal povsem napačne rezultate. Zato smo razvili nov simulacijski model dvojnega transporta, ki temelji na nehomogeni morfologiji materiala. Izkazal je bistveno boljše ujemanje v vseh materialih za ceno večjega števila zahtevanih parametrov in daljših časov simulacije. Časovno potratnost simulacij smo uspeli bistveno skrajšati tako, da smo razvili analitični model dvojnega transporta, kjer smo oblikovali sistem diferencialnih enačb, ki opisuje isti mehanizem dvojnega transporta in za razliko od prejšnjega uporablja homogeno diskretizacijsko mrežo. Do sedaj smo obravnavali dva ključna dejavnika (temperaturo in koncentracijo vlage), ki vplivata na staranje polimerov in sta neposredno povezana z difuzijo vlage. Tretji ključni dejavnik, ki povzroča razgradnjo polimerov pa je ultravijolična (UV) svetloba. Njen vpliv na difuzijo vlage smo preverili tako, da smo razvili in izdelali UV svetlobni vir za uporabo v klimatski komori, ki temelji na nizu svetlečih diod. Rezultati so pokazali, da je transport vlage v polimerih neodvisen od obsevanja z UV v okviru pričakovanih doz. Dobljene modele smo preizkusili za opis transporta vlage v PV modulih v realnih pogojih delovanja. V ta namen smo izdelali mini PV module z vgrajeno eno sončno celico polne velikosti in miniaturnimi senzorji temperature in relativne vlažnosti. Pet enakih sistemov smo namestili na različnih lokacijah z različnimi podnebnimi razmerami po vsem svetu, ki nam omogočajo modeliranje povezave med mikroklimatskimi pogoji PV modulov in klimo v teh regijah. Simulacije s končnimi elementi, ki temeljijo na Fickovem difuzijskem modelu, se dobro ujemajo z meritvami in omogočajo natančen opis poteka transporta vlage v PV modulih.This thesis evaluates moisture transport in polymers in experiments and finite element simulations, focusing on the encapsulation of photovoltaic modules. First, we measure moisture ingress with encapsulated miniature temperature and relative humidity sensors in controlled conditions in a climatic chamber. The sensors themselves thereby impact the measurements. Comparison with an in-situ gravimetric setup enables quantification of this influence, which can be included in the simulations. They are based on the Fickian diffusion model, until now the only model applied in polymers for photovoltaic applications. While this simple model can describe some materials with reasonable accuracy, it is lacking in others. Thus, we develop a novel model based on an inhomogeneous morphology in the simulations – the dual-transport model. It is far more accurate at the cost of a higher number of required parameters and longer simulation times. We devise a system of differential equations to alleviate the latter issue, describing the same process and being applicable to a homogeneous mesh in the simulations – the analytical dual-transport model. Moisture diffusion is thereby strongly dependent on the temperature, but independent of the moisture concentration. The possible impact of another crucial factor for the degradation of polymers, ultraviolet light, is evaluated with a custom-built light source for use within a climatic chamber, based on a light emitting diode array. The experiment shows no such impact. Moisture sorption in the field is measured with miniature temperature and relative humidity sensors encapsulated in one-cell mini-modules. Five similar setups are installed in various locations and climates around the world. These measurements enable a quantification of the difference between the microclimatic conditions of the module and the macroclimates of the regions. Finite element simulations based on the Fickian model show a good fit with the measurements, enabling an accurate extraction of the moisture profile in the modules