От чего портятся солнечные батареи

Вредны ли солнечные батареи?

В мире сокращается запас природных ископаемых для производства электричества. В поисках

альтернативных источников энергии человечество давно обратило свой интерес к Солнцу. Ежедневно Земля получает огромное количество солнечной энергии — 173000 Тераватта. Это в 10000 раз больше всей электроэнергии, потребляемой населением планеты. Но для ее преобразования нужно специальное оборудование.

Существующие способы использования солнечной энергии для получения электричества и тепла.

1. Применение систем солнечных батарей и электростанций;
2. Использование коллекторов, нагреваемых солнечными лучами, для использования разогретой воды в отоплении и электрогенераторах;
3. Термовоздушные электростанции, преобразующие солнечную энергию для раскручивания турбогенераторов;
4. Аэростатные солнечные электростанции.

Солнечная энергия доступна и бесплатна, ее не нужно добывать, она неисчерпаема. Но есть у гелиоэнергетики и недостатки.

Недостатки использования солнечной энергии

• Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие;
• В пасмурные дни и ночью солнечная энергия недоступна;
• Необходимость использования больших площадей под солнечные источники энергии;
• Содержание токсичных веществ в фотоэлементах;
• Низкий КПД солнечных батарей, среднее значение эффективности не превышает 20%;
• Высокая стоимость солнечных фотоэлементов;
• Поверхность солнечных панелей и зеркал (для термовоздушных ЭС) нужно очищать от попадающих загрязнений;
• При нагреве солнечных элементов, значительно падает эффективность их работы;
• Сложная утилизация солнечных панелей.

Несмотря на имеющиеся недостатки, солнечная энергетика является самой быстрорастущей альтернативной энергетической отраслью, она составляет лишь 1% энергии, используемой сегодня. Но, по оценкам Международного энергетического агентства, солнечная энергия может обеспечить 20-25% глобальной энергии к 2050 году.

Создание солнечных батарей

Солнечные батареи – относительно новая технология получения электрической и тепловой энергии, берущая свое начало с 70-х годов прошлого столетия. Но человечество научилось пользоваться силой Солнца уже очень давно. Еще древние греки и римляне использовали энергию Солнца для получения огня с помощью увеличительного стекла и специально изогнутых зеркал. Так они могли зажигать факелы для религиозных ритуалов, и даже топить корабли врагов. Направляя зеркала под определенным углом, подогревали воду в термах и освещали темные помещения.

Создатель солнечных панелей Беккерель

В 1839 году французский ученый Беккерель обнаружил фотогальванический эффект. Экспериментируя с электролитами он заметил, что больше электричества было произведено, если гальванические элементы были подвержены солнечному свету.

Процесс создания и первые прототипы солнечных панелей

Первая солнечная батарея, похожая на современную, была выпущена в 1908 году, через 3 года после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую Эйнштейн получил Нобелевскую премию. В 1954 году был создан первый кремниевый фотогальванический элемент. В 1970 году была введена менее дорогая версия кремниевого солнечного элемента, что ознаменовало начало коммерциализации солнечных батарей. С начала 2000 годов, ученые сосредоточили внимание на способах сделать солнечные панели более эффективными и удобными. В результате технология стала более доступной для всех. Конечная цель — сделать солнечную энергию столь недоргой, как традиционные источники энергии, поскольку она по-прежнему недостаточно конкурентоспособна.

Производство и утилизация солнечных панелей

Производство солнечных панелей является энергоемким процессом. В настоящее время большая часть энергии, используемой для создания солнечных панелей, связана с переработкой ископаемого сырья, поэтому даже производство этих экологически полезных продуктов может способствовать загрязнению и глобальному потеплению.

Приблизительно 600 кВтч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 м2. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВтч на квадратный метр электроэнергии в год. Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.

Исходным материалом для изготовления солнечных батарей служит трихлорсилан, ядовитый и взрывоопасный продукт. При его перегонке и восстановлении при помощи водорода, получают чистый кремний. Побочным продуктом, на этом этапе производства, является соляная кислота. Далее, кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей.

Для производства солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать.

Утилизация вредных элементов солнечных панелей должна сопровождаться специалистами по переработке

При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей — большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.

Вред экологии

Несмотря на экологическую безвредность применения солнечных батарей, их производство и утилизация может навредить окружающей среде и здоровью людей. Солнечные панели содержат металлы, такие как свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы. Их основа изготавливается из алюминия. Все это требует грамотной утилизации. Также, размещенные на больших площадях, они могут влиять на климат, нарушая естественный температурный режим.

Само производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Стоки и отработанные газы пагубно влияют на экологию. Земля, вода и воздух могут содержать вредные вещества, что является угрозой для всего живого вокруг этих предприятий.

Так стоит ли причислять солнечные панели к предметам причиняющим вред экологии?

Количество солнечных электростанций растет. Если технологии не будут развиваться в сторону наименьшего причинения вреда планете и людям, человечество ждет еще одна рукотворная экологическая проблема.

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