Деградация солнечные батареи для

Деградация солнечных батарей

Производители солнечных батарей прилагают много усилий, внедряют новые технологии, чтобы сделать солнечные панели надежными. Они должны быть в состоянии противостоять циклическим изменениям погоды и даже экстремальным условиям – сильным морозам и жаре. Несмотря на это, солнечные панели со временем стареют или деградируют – это вполне естественный и неизбежный процесс.

Скорость деградации солнечных панелей

Деградация солнечной батареи означает, что установка со временем теряет свою выходную мощность. Этот процесс может быть вызван, к примеру, внешними факторами, на которые человек повлиять не может – воздействием ультрафиолета и изменениями погоды. Но есть и другие причины старения, о которых мы поговорим ниже. Нужно понимать, что деградация – совершенно нормальный процесс, и это рано или поздно произойдет. Деградируют абсолютно все солнечные панели. Правда, с разной степенью и скоростью – большинство качественных панелей часто имеют до 90% эффективности производства даже спустя 20-25 лет работы. Степень деградации солнечных батарей обычно учитывается в гарантии качества продукции от их производителей.

В первый год эксплуатации солнечные батареи обычно подвергаются кратковременной деградации в диапазоне от менее 1% до 3%. После этого, согласно ряду исследований, их производительность снижается в среднем на 0,8% до 0,9% ежегодно.

Например, если краткосрочная деградация панели в первый год составит 2%, то на втором году работы такие панели будут работать на 98% от их первоначальной производительности. В дальнейшем, если предположить, что каждый год производительность панелей будет снижаться на 0,8%, спустя в 25 лет своего «полезного срока службы они все равно будут работать достаточно эффективно – этот показатель составит 78,8%.

Таким образом, чтобы определить примерную прогнозируемую мощность солнечных панелей через N-е количество лет, нужно умножить степень деградации на это количество лет (ожидаемой работы панелей) и вычесть получившееся число из 100(%).

Заметим, что качественные солнечные панели деградируют менее интенсивно, скорость их деградации обычно меньше и поэтому снижение эффективности не будет слишком сильно влиять на производительность всей вашей системы. Степень деградации можно примерно оценить еще в момент покупки – обычно бренды, выпускающие солнечные панели, заявляют эти показатели в своей гарантии на эффективность. Не забудьте также оценить и гарантию на продукт (оборудование) – производственные дефекты тоже влияют на срок службы панелей и их выходную мощность. Гарантия производительности вашей солнечной панели, которая составляет у современных панелей 20–25 лет (иногда доходит до 30 лет), даст вам приблизительное представление о том, какое количество электроэнергии будет генерировать ваша солнечная панель, и как оно будет меняться с течением времени.

Учтите, что производители солнечных панелей дают гарантию с «запасом прочности» – то есть в процессе работы панель может работать дольше, чем заявлено в гарантии. Например, если производитель обещает, что через 20–25 лет панель будет работать с эффективностью около 80% от начальной величины, то на практике чаще всего деградация будет ниже и составит 10-12%.

Источник

Деградация солнечных панелей: причины возникновения и как ее обнаружить?

Как и любое другое оборудование, фотоэлектрические системы со временем теряют свои эксплуатационные качества. Это явление известно под названием деградация солнечных панелей, или PID (англ. – potential induced degradation). В зависимости от обстоятельств она может быть обратимой или необратимой, а уменьшение ее скорости является одной из важнейших технологических задач фотовольтаики.

PID и физические причины его возникновения

На заре создания гелио оборудования необъяснимо быстрая деградация солнечных батарей стала настоящей головной болью для инженеров. В большинстве случаев собранные модули работали согласно ожиданиям. Но иногда панели начинали стремительно терять мощность, а их КПД падал в несколько раз за считанные месяцы.

Первыми обнаружили причину технологи еще 1990-х. Как оказалось, проблему создавала поляризация – скачки разницы потенциалов между модулями и землей. Простое заземление положительного электрода начало не только защищать оборудование, но иногда и обращать начавшуюся деградацию солнечных панелей вспять.

Однако примерно в 1% случаев новое технологическое решение не срабатывало, виной чему обычно была некачественная сборка или микроповреждения модулей. Поскольку PID вызывается токами утечки, к нему приводили:

• частичное отслаивание пленки-ламината;
• механические дефекты каркаса;
• повреждение защитного стеклянного покрытия;
• изменение расстояния между полупроводниковыми элементами.

Разница потенциалов начинала меняться и постепенно ухудшать производительность системы. При своевременном обнаружении проблему удавалось устранить. В противном случае спустя некоторое время деградация солнечных батарей становилась необратимой.

Поскольку физическая суть явления PID неразрывно связана с функционированием любых фотоэлектрических установок, оно угрожает всем типам батарей без исключения:

• моно- и поликристаллическим;
• на аморфном кремнии;
• тонким пленкам на редкоземельных элементах;
• последнему поколению органических, полимерных и прочих гелио панелей.

Серьезность проблемы заключается в том, что микроскопическое изменение вольтамперных характеристик часто начинается постепенно и прогрессирует незаметно для пользователя. Несвоевременное обнаружение PID, особенно на крупных СЭС, может привести к огромным финансовым потерям и является для владельцев настоящей катастрофой.

Другие причины деградации солнечных панелей

Как показали исследования, помимо механических повреждений возникновению PID могут способствовать и другие причины. Их список достаточно длинный:

• особенности конструкции и изготовления модулей;
• используемая схема преобразования потока фотонов в электрический ток;
• применяемые материалы;
• определенные нюансы сборки системы в целом;
• контакты панелей с посторонними предметами;
• падение тени;
• изменение температуры, влажности и некоторых других характеристик внешней среды.

Последний фактор по сей день остается наиболее сложным, поскольку является единственным, не поддающимся контролю и, тем более, плановому изменению. Влияние остальных ведущие производители мира стараются максимально уменьшить, вплоть до полного исключения. Благодаря этому деградация наиболее качественных солнечных батарей происходит с предсказуемой скоростью и гарантирует покупателю паспортное сохранение производительности.

Материаловедческие и структурные негативные факторы

Проблему PID периодически вызывают попытки введения в физико-химический состав отдельных элементов.

1. Натрий. Широко известен случай создания высокоэффективного антибликового покрытия типа ARC с использованием натрия. Новая поверхность действительно показала улучшенные характеристики захвата фотонов, но ячейки под ней неожиданно стали быстро деградировать. После изучения состава методом масс-спектрометрии было обнаружено, что натрий вызывал скачки напряжения ввиду его повышенной электрической активности. В результате от нового покрытия пришлось отказаться.
2. Кальций и магний. Похожий случай произошел при попытке заменить классическое каленое кремниевое стекло известковым с добавлением кальция и магния. Как оказалось, эти химические элементы также вызывают электрическую нестабильность. А выигрыш КПД за счет улучшенного поглощения оказывается меньше, чем проигрыш на ускоренной дестабилизации ячеек.
3. Пленка EVA (виниловый ацетат этилена). Оказалась прекрасным защитным материалом, не вызывающим поляризации и, как следствие, возникновения деградации солнечных панелей. Именно поэтому ее использование для инкапсуляции рабочих поверхностей широко распространено по сей день.
4. Пленка PVB (поливинил бутираль). На первый взгляд очень близкий по составу и свойствам полимер оказался совершенно непригодным. Проблема оказалась в низком уровне диффузного барьера, из-за чего материал пропускал жидкость и приводил к резкому скачку электропроводимости.
5. Двуокись кремния. На сегодня считается лучшим составом для изоляции полупроводниковых элементов от поверхностного остекления. Токи утечки в нем практически не возникают.

Конструктивные негативные факторы

Наиболее опасно неправильное размещение панели и неверно выбранный вид заземления. От этих параметров зависит входящее напряжение и его знак, что может оказаться причиной возникновения деградации солнечных батарей. Исправить положение может хороший инвертор правильного типа.

Основным негативным конструктивным фактором является отрицательное напряжение относительно заземления. PID-эффект в таких случаях быстро развивается практически всегда. Это уменьшает КПД модулей и разрушающе действует на пластины.

Положительным моментом служит тот факт, что подобные конструкторские недостатки легко исправляются специалистами и позволяют стабилизировать систему для эффективной работы.

Негативные факторы окружающей среды

Являются самыми неприятными из видов внешнего воздействия, поскольку не поддаются устранению. Более других способствуют ускоренной деградации солнечных панелей следующие погодные явления:

• повышение температуры выше 25°C, особенно сопровождающееся высокой влажностью;
• резкие перепады температур;
• частые смены циклов замерзания и оттаивания.

Последние два фактора особенно губительны для ламинирующих пленок. Рано или поздно их механические характеристики падают ниже требуемого уровня, и вероятность возникновения PID резко возрастает.

Методики обнаружения PID

Существует несколько методов раннего выявления начинающейся деградации солнечных батарей.

1. Проверка эффективности. Наиболее простой и очевидный подход. Заключается в сравнении производительности системы через определенные промежутки времени при сравнимых погодных условиях.
2. Замер вольтамперных характеристик. Под ними подразумевается измерение наиболее явного параметра – напряжения холостого хода. Инструментом может служить обыкновенный вольтметр. Метод более точный, поскольку позволяет обнаружить конкретную цепочку, которую затронула деградация.
3. Электролюминесцентный метод. Используется при невозможном или затрудненном доступе к модулям. Требует наличия специального оборудования.

Тестирование фотоэлектрического оборудования на восприимчивость к PID является неотъемлемой частью работы любых центров сертификации. В современной гелио энергетике ни один крупный проект солнечных электростанций станций без проведения обязательной процедуры такой проверки просто не получит финансирования.

Обратимая и необратимая деградация солнечных панелей

То, какой характер примет эффект PID, зависит от нескольких факторов.

1. Обратимый. Примером является поверхностная поляризация, вызывающая устойчивое накапливание статического электричества на различных элементах модулей. Возникает преимущественно из-за избыточной миграции ионов Na+ от фронтального стеклянного покрытия к полупроводниковым ячейкам. После деполяризации исходные параметры эффективности батарей восстанавливаются практически полностью.
2. Необратимый. Вызывается нарушением структурной целостности самих элементов-преобразователей. Независимо от причин, которые к этому привели (перепады температур, попадание внутрь жидкости, нарушение герметичности пленки), восстановить производительность системы не удастся.

Первый вариант чаще возникает в классических кристаллических модулях. Второй более характерен для тонкопленочных модификаций.

Поскольку необратимая деградация солнечных батарей грозит огромными финансовыми потерями, выявление ее на начальной стадии является главной задачей владельцев солнечных станций.

Источник

Что такое PID или деградация солнечных панелей

Деградация солнечных панелей, а именно potential induced degradation (PID) ведет к снижению результативности функционирования батарей с течением времени. В некоторых случаях она может быть обратимой, но всегда представляет собой сложную техническую проблему, требующую незамедлительного решения.

Содержание:

Что такое PID?

О том, что такое PID, впервые пришлось задуматься инженерам американского производителя гелиопанелей SunPower. Высокоэффективное оборудование в некоторых случаях теряло до 30% от заявленной заводом мощности за чрезвычайно короткий срок.

Причиной этого послужила поляризация — потенциал солнечных панелей относительно земли. Заземление положительного электрода позволило не только надежно предотвращать деградацию, но и восстанавливать работу агрегатов, уже подвергшихся этому процессу.

Сутью PID является появление токов утечки, наблюдаемых в пространствах между пластинами полупроводника и прочими составляющими модуля:

• защитного каркаса;
• ламинирующей пленки или материала ПЭТ;
• стеклом.

Модуль, таким образом, теряет способность создавать паспортное выходное напряжение. К этому результату приводит разность потенциалов между солнечной батареей (составляющими ее модулями) и монтажной конструкцией (каркасом из нержавеющей стали или алюминия).

Процессу деградации подвергаются все модули без исключения:

• моно- и поликристаллические;
• тонкопленочные.

В каждом конкретном случае она, однако протекает особенным образом и с различной степенью интенсивности. Особенно нежелательным процесс представляется с той точки зрения, что проекты любых модульных систем по переработке солнечной энергии в электрическую, а также крупных солнечных электростанций предполагают бесперебойное функционирование на протяжении не менее, чем 25-30 лет.

Непредвиденное значительное уменьшение их выработки в первые же годы является катастрофой как в техническом, так и в экономическом отношении.

Причины деградации солнечных панелей

Исследования вопроса помогли выявить, что подвижность электронов увеличивается по мере роста температуры и влажности среды. Посторонние предметы, вступающие в контакт с поверхностью фотоэлектрического модуля, также усиливают поляризацию.

К основным причинам деградации оборудования принято причислять:

• особенности структуры преобразователя системы;
• строение модуля;
• некоторые нюансы строения системы;
• влияние внешней среды.

Окружающая среда практически не подлежит контролю, в то время как на остальные факторы, приводящие к PID и вызывающие деградацию солнечных панелей, можно влиять в значительной степени.

Структура преобразователей фотоэлектрической системы

Соединения, присутствующие в антирефлекторном покрытии панелей, как оказалось, могут способствовать деградации. Их влияние было обнаружено благодаря современным физическим методам исследований (вторичной ионной масс-спектрометрии), обнаружившим натрий стекла в поверхностном пространстве покрытия.

Изначально покрытие этого типа (ARC) стали применять с целью увеличения захвата световых лучей. Благодаря ему достигается рост коэффициента преобразования энергии системы.

Особенности строения модулей гелиопанели

Для того, чтобы минимизировать проявление PID-эффекта, необходимо уделить особенное внимание выбору:

• фронтального стекла;
• материала, предназначенного для инкапсулирования;
• диффузионного барьера.

Исследования подтверждают, что одними из наиболее существенным факторов деградации служат ингредиенты натриево-известкового стекла, а именно те из них, что отсутствуют в кварцевом его варианте.

Основным таким элементом принято считать натрий по факту его высокой электрической активности, однако влияние могут оказывать также кальций, магний и алюминий.

Материалы для ламинирования модулей отличаются значительным разнообразием и отличаются по показателям проводимости.

1. Пленка EVA (винилацетат этилена) отлично предотвращает поляризацию и последующую деградацию солнечных панелей. На сегодняшний день она является предпочтительным материалом для инкапсуляции оборудования. Уксусная кислота в ее составе может также оказаться фактором, ответственным за растворение ионов металла при так называемой коррозии стекла на его поверхности.
2. Материал PVB (поливинилбутираль), наоборот, провоцирует активизацию процесса деградации гелиопанели. Он практически не сопротивляется поступлению жидкости, а в результате роста ее количества неизменно увеличивается и проводимость.

В качестве материала для создания диффузионного барьера между поверхностью стекла и районами полупроводника с максимальной электрической активностью успешно применяется двуокись кремния. Она отлично справляется с предотвращением развития процессов формирования токов утечки, однако лазерная абляция способна оставлять небольшие пробелы внутри слоя с барьерным веществом, что может создавать определенные проблемы в его функционировании.

Особенности строения системы

На уровне фотоэлектрической системы наиболее значимыми факторами деградации служат входное напряжение и его знак, который зависит от размещения модуля и типологии заземления. Исходя из этих показателей выбирается тип инвертора.

В зависимости от вида заземления потенциал напряжения системы модулей может претерпевать значительные изменения.

Чаще всего PID-эффект связывается с отрицательным знаком напряжения в отношении к заземлению. Доскональные исследования проводились также в области положительного потенциала.

Емкостные эффекты играют важную роль в формировании зависимости между напряжением и деградацией солнечных панелей. Электрические заряды при миграции ионов, вызываемой конкретными электрическими явлениями, уменьшают коэффициент полезного действия модуля, оказывая воздействие на пластины полупроводника.

В любом случае, анализ, проведенный инженерами компании SunPower, свидетельствует о том, что процессы PID поддаются стабилизации в состоянии, присущем каждой разновидности модуля.

Воздействие факторов окружающей среды

Экспериментально доказанным является тот факт, что рост показателей температуры и относительной влажности снижают результативность функционирования солнечных батарей и электростанций на их основе. Особенно разрушительное воздействие оказывают:

• высокие влажность и температура среды и оборудования, действующие одновременно;
• перепады показателей температуры;
• регулярно имеющие место циклы оттаивания и замерзания воды.

В последнем случае ток утечки усиливается из-за разрушения целостности ламинирующей пленки EVA. Это приводит к снижению ее сопротивления процессу деградации панели.

Методы определения PID

Основным признаком деградации солнечных панелей служит снижение эффективности их работы, не поддающееся объяснению.

1. Самым простым способом выявления PID в конкретном модуле или их системе является замер показателей напряжения холостого хода. Для его проведения достаточно использовать обычный вольтметр. Нередко процесс затрагивает только одну из частей цепочки, располагающуюся ближе к положительному или отрицательному полюсу.
2. В случае когда доступ к модулям цепочки затруднен, выявить деградацию помогает метод электролюминесценции.

Тестирование на восприимчивость к деградации модулей в специализированных центрах сертификации и лабораториях составляет неотъемлемую часть технологий современной солнечной энергетики. Оно является также необходимым шагом для получения финансирования проекта в данной сфере.

Необратимая деградация солнечных батарей

В зависимости от характера действующих факторов деградация оборудования может быть обратимой или необратимой.

1. Эффект поверхностной поляризации, с которым столкнулись сотрудники завода SunPower в 2005 г., относится к обратимой разновидности деградации. Он создает стабильное накопление статического заряда на поверхности деталей модуля, которое, однако, удается нейтрализовать с возвратом к полной исходной мощности оборудования. Развитие ситуации этого типа связывают с переходом ионов натрия от фронтального стекла к фотоэлектрическим преобразователям.
2. Необратимая деградация обычно вызывается нарушениями в структуре агрегата. На их появление могут влиять перепады температуры, особенно циклы заморозки и оттаивания, проникновение воды и иных жидкостей в значительном объеме под внешнее покрытие и призванную обеспечить герметичность ламинирующую пленку.

Процесс первого типа часто встречается в системах с кристаллическими кремниевыми элементами, в то время как необратимая PID в наибольшей степени характерна для тонкопленочных модулей. Ее появление обуславливается электрохимическими реакциями, приводящими к коррозии, повреждению оборудования, расслоению составных элементов модуля.

Необратимая деградация солнечных панелей представляет собой серьезную проблему, угрожающую потерей дорогостоящей техники и экономическим провалом значимых для развития сектора солнечной и альтернативной энергетики проектов. Данный процесс требует немедленного реагирования, выявления причин происходящей утечки и минимизации убытков.

Источник