Виды деградации солнечных панелей и ее влияние на выработку и срок службы

В наших предыдущих статьях PID — что это такое? и Срок службы солнечных батарей мы уже затрагивали вопросы деградации солнечных модулей и их срока службы. В этой статье остановимся более подробно о видах деградации солнечных панелей и их влиянии на срок службы солнечных батарей и выработку ими электрической энергии. 

По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в США, потеря генерации энергии солнечными модулями обычно составляет около 0,5% в год. Производители обычно считают, что после 25 — 30 лет работы происходит достаточная для замены солнечных модулей деградация. По данным NREL, отраслевой стандарт производственной гарантии на солнечный модуль составляет 25 лет.

Учитывая эталонный годовой темп деградации 0,5%, 20-летняя панель способна производить около 90% своей первоначальной мощности. Купить солнечные панели с минимальной деградацией вы можете в нашем Интернет-магазине с разделе «Солнечные панели«.

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(%).

Механизм деградации солнечных модулей

Деградация солнечных модулей возникает, когда ионы внутри модуля начинают активно двигаться между полупроводниковым материалом и другими элементами, такими как стекло. Это приводит к снижению выходной мощности, в некоторых случаях значительному. Некоторые производители изготавливают свои панели из устойчивых к деградации материалов.

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 производительность. Не забудьте также оценить и гарантию на модуль – 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%.

Снижение мощности солнечных элементов и модулей с течением времени

Что такое деградация солнечных панелей и что означает «скорость деградации»? Это может показаться зловещим, но «деградация» — это всего лишь отраслевой термин, используемый для описания снижения производительности, которое со временем испытывают все солнечные панели. 

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

Например, если деградация солнечных панелей 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%.

Качество фотоэлемента может влиять на скорость деградации. NREL сообщает, что у производителей премиум-класса, таких как Panasonic и LG, темпы деградации составляют около 0,3% в год, в то время как у некоторых брендов темпы деградации достигают 0,8% в год. Через 25 лет солнечные панели премиум-класса все еще могут производить 93% от первоначальной мощности, а солнечные панели с более высоким уровнем деградации смогут производить всего 82,5%.

Всестороннее тестирование, проведенное производителями коммерческих солнечных панелей, показывает, что срок службы солнечных панелей составляет от 25 до 40 лет, в зависимости от производителя. Это не означает, что по истечении этого времени панели перестают работать или вырабатывать электричество. Это просто означает, что их производство энергии снизилось до уровня, превышающего то, что производители называют «сроком полезного использования панели».

Насколько влияет разница в степени деградации на выработку?

Шесть или семь десятых процента в скорости деградации могут составлять тысячи киловатт-часов энергии, теряемой каждый год, в зависимости от количества панелей и того, как долго они вырабатывали электричество. Это означает, что вы можете потратить деньги, потребляя электроэнергию из сети, а не от установленных солнечных панелей. Для крупной коммерческой установки это может означать потери выручки в сотни тысяч долларов в течение срока службы системы. 

Вот почему важно подумать, будет ли выгоднее в долгосрочной перспективе сэкономить заранее на панелях более низкого качества с более высокой скоростью деградации или инвестировать в более качественные (и потенциально более дорогие) панели, которые деградируют медленнее. Вы всегда должны заранее сравнивать потенциальную экономию затрат, оценивая свои варианты.

Деградация солнечных панелей — виды

Есть несколько основных видов деградации фотоэлектрических элементов и модулей.

Деградация, вызванная светом (LID – от англ. Light Induced Degradation)

Возникает, когда солнечная панель впервые подвергается воздействию солнечной радиации, в результате ее фотопроводимость уменьшается. Это считается этапом «настройки» панели, также называемым «начальным ухудшением» или краткосрочной деградацией, и происходит в течение первых 1000 часов работы. Эффективность панелей на этом этапе снижается в среднем на 1–3% и после этого стабилизируется. Такой тип деградации присущ преимущественно монокристаллическим панелям. Однако после распространения PERC солнечных панелей было обнаружено, что на процесс деградации от света также влияет температура.

Все фотоэлектрические модули из кристаллического c-Si кремния деградируют примерно на 5%, тогда как модуль PERC деградирует до 10% из-за LeTID. Зафиксированы случаи деградации даже на   16%, при этом для солнечных элементов PERC был зафиксирован КПД 23,6% (более высокий КПД частично компенсировал более высокую деградацию). Солнечный модуль из монокристаллического кремния деградирует (2-3,6) %, тогда как модуль из мульти-Si может деградировать до (3,8-7,5) %.

Деградация, вызванная светом и повышенной температурой (LeTID)

Light Elevated Temperature Induced Degradation (LeTID) впервые обнаружена в 2012 году. LeTID потенциально может привести к потере производительности до 10% в течение нескольких лет для модулей, находящихся в полевых условиях, и наблюдалась на большинстве кремниевых фотоэлектрических технологий p-типа. Механизмы деградации, вызванной повышением световой температуры, до сих пор не до конца понятны, но известно, что она приводит к значительным потерям производительности модулей, находящихся в полевых условиях. В отличие от LID, такая деградация может произойти спустя годы и в основном связана с высокими рабочими температурами модулей.

Однако механизмы этой деградации сложны, и ученым до сих пор не удалось выявить точную причину. В новом исследовании эффектов LeTID ученые под руководством Китайской академии наук изучили эффекты LeTID на поверхности солнечного элемента и на границах между кремнием и пассивирующими слоями. Группа использовала переходную спектроскопию глубокого уровня, специализированный метод наблюдения активных дефектов в полупроводниковых материалах, для наблюдения за поведением деградации пассивации поверхности в ряде по-разному обработанных образцов мультикристаллического кремния, включая как оксид алюминия, так и смешанные пассивационные слои оксида алюминия / нитрида кремния. Они описали свою работу в статье «Явления деградации поверхности, связанной с мультикристаллическим кремнием P-типа при повышенной температуре и освещении», которая недавно была опубликована в журнале Solar Energy.

Эксперименты показали уменьшение срока службы носителей для образцов после световой выдержки при температуре 80°С и 0,46 киловатт-часа на квадратный сантиметр. После световой выдержки увеличилось количество интерфейсных состояний – дефектов материала, которые могут снизить производительность. По мнению исследователей, это говорит о том, что снижение качества пассивации, вызванное увеличением состояний интерфейса, может быть фактором, способствующим LeTID.

Однако причина этого увеличения, скорее всего, кроется в объеме материала, а не на его поверхности, и в статье предполагается, что увеличение интерфейсных состояний может быть связано с диффузией примесей из объема к поверхности во время механизма LeTID. «Можно сделать вывод, что увеличение количества состояний интерфейса является одной из причин явления LeTID, но основной причиной могут быть дефекты в массе», — заявили исследователи.

Самый простой способ предотвратить влияние LeTID на ваши панели — не эксплуатировать солнечные панели в жарком климате  или не покупать панели PERC, произведенные до 2020 года. После 2020 года многие производители решили проблему с LeTID в модулях PERC, более того, во многих странах была введена сертификация по этому параметру. Вам нужно убедиться, что вы получаете панели PERC только от производителя, который решил проблему. Это еще один аргумент в пользу того, чтобы покупать солнечные модули от известных производителей, а не под различными брендами импортеров (см. наше Руководство покупателя солнечных батарей, где мы постоянно приводим эту рекомендацию и другие советы по покупке солнечных батарей).

Поскольку температура является основным фактором для LeTID, если вы покупаете панель PERC — при прочих равных условиях — вам лучше приобрести панель с более низким значением NOCT, что означает номинальную рабочую температуру ячейки. Чем ниже этот показатель, тем меньше нагревается солнечная панель на солнце.

Если у вас есть солнечные панели PERC и вы обеспокоены снижением их мощности, важно следить за их производительностью, чтобы вы знали, нужно ли вам предъявлять гарантийные претензии. Если у вас установлено оборудование для мониторинга, это упрощает задачу. Можно вести учет годовой производительности вашей системы. Она будет меняться из года в год в зависимости от погоды, но если ваши солнечные панели PERC страдают от серьезного LeTID, вы сможете заметить тенденцию к снижению.

Если вы обнаружите, что у вас возникла проблема, возможно, будет разумно подождать, пока она не станет достаточно серьезной и не является погрешностью из-за погоды, чтобы не было никаких сомнений в том, что вы имеете право на предъявление гарантийной претензии.

Деградация от потенциала (PID – от англ. Potential Induced Degradation)

Этот тип деградации не всегда происходит, но если это случится, производительность панели может снизиться вплоть до 30%. Подвержены ей все типы панелей (моно- и поликристаллические, а также тонкопленочные). В некоторых случаях деградация от потенциала может быть обратимой, но этот процесс всегда является достаточно непростой технической проблемой, которая требует немедленного решения. PID возникает, когда разные компоненты в системе находятся под разными напряжениями. Например, при разности потенциалов между солнечными элементами и рамкой (монтажной конструкцией, алюминиевым или стальным каркасом). Такое отклонение вызывает утечку тока и, следовательно, снижает выходную мощность панели. Основная причина такого явления – поляризация, то есть потенциал солнечных батарей по отношению к земле. Предотвратить подобную деградацию и даже восстановить работу узлов, которые подверглись ей, поможет заземление положительного электрода. По сути, потенциальная деградация – это появление токов утечки в полостях между пластинами полупроводника и другими составляющими фотомодуля. Последний при этом теряет способность создавать заявленное «на выходе» напряжение. Подробнее про PID читайте в отдельной статье.

Деградация, связанная со старением

Солнечные модули подвержены влиянию внешних факторов, что неизбежно – это естественный износ солнечных панелей. Такие процессы старения происходят из-за химических реакций в полупроводниках, вызывающих кристаллические затвердения, а также из-за загрязнения фотомодулей, климатических условий, погоды, влияния ультрафиолета. Обычно данный тип деградации необратим, и с экономической точки зрения смысла в его устранении нет. См. таблицу о факторах, влияющих на срок службы солнечных модулей в статье «Срок службы солнечных батарей«.

Почему деградируют солнечные панели

1. Фактором, который может ускорить скорость деградации, является качество материалов, используемых при изготовлении панелей. Чтобы сохранить низкие цены, некоторые производители используют для рамы алюминий меньшей толщины, что делает конструкцию более тонкой и уязвимой к деградации. Вот почему выбор дешевой солнечной панели может увеличить риск ее плохой работы или выхода из строя деталей системы. В долгосрочной перспективе такая экономия обойдется вам дороже.
2. Степень деградации солнечной батареи и ее срок службы зависят от типа  панели. Например, кристаллические панели имеют большую устойчивость к нормальному износу, чем тонкопленочные, что отражено в их гарантиях и сроках службы. В обычных условиях кристаллические панели могут выдерживать экстремальные температуры и холода в течение более 20 лет. Пленочные панели при таких же условиях прослужат не более 5 лет.
3. При воздействии экстремальных климатических условий солнечная панель из кристаллического кремния (Si) может сильно деградировать. Например, панель, подверженная сильным снеговым нагрузкам, ветрам и теплу, теряет свою структурную целостность и эффективность. Тогда как скорость деградации панелей, установленных в благоприятном климате, будет существенно ниже
4. Проблемы при соединении с другими элементами. Обычно солнечные панели не являются хрупкими, практически не подвержены каким-то поломкам. Но при соединении их с другими элементами солнечной установки либо объединении их в массивы следует соблюдать осторожность. Нужно учитывать не только безопасность солнечных панелей, но и всей подключенной системы, правильно соединять ее элементы в соответствии с их техническими параметрами.
5. Механические повреждения. Хотя производители используют закаленное стекло для дополнительной защиты, постоянные нагрузки могут стать причиной микротрещин в фотоэлементах, из-за чего процесс деградации может ускориться. Также может испортиться антибликовое/антиотражающее покрытие. Эти разрушения вызывает нагрев поверхности панелей, воздействие ультрафиолета и загрязняющих веществ.
6. Самый распространенный фактор, влияющий на срок службы и скорость деградации панелей – загрязнение. Крошечные частицы пыли и грязи накапливаются постепенно на поверхности солнечной батареи, тем самым снижая количество солнечного света, получаемого фотоэлементами. Исследования показали, что из-за этого солнечная панель может потерять около 1% своей эффективности. Более того, эти панели с большей вероятностью теряют свою мощность из-за загрязнения при установке на плоскую поверхность. Хотя солнечные панели достаточно легко установить на плоских крышах, это приводит к накоплению большего количества пыли на панелях и, соответственно, более быстрой их деградации.
7. Большую роль в деградации играют погодные катаклизмы. Сильные шквалы, ураганы, бури, снег, крупный град, упавшие ветви деревьев из-за ветра – все эти факторы могут значительно повредить солнечные батареи и ускорить их деградацию. Это нужно учитывать при установке панелей, например, выбирать места в значительном отдалении от деревьев. Угрозу структурной целостности солнечной панели несут также птицы, которые любят устраивать гнезда под панелями.

Принимая решение о покупке солнечных панелей, обязательно учитывайте степень их деградации, поскольку в итоге этот показатель может повлиять срок окупаемости установки. Зная основные причины деградации, можно сгладить некоторые моменты и попытаться замедлить ее в тех случаях, в которых это возможно.

Хотя это не всегда необходимо, очистка панелей также может сыграть важную роль в обеспечении того, чтобы они не разлагались быстрее, чем ожидалось. Следите за изменениями выходной мощности ваших солнечных панелей до и после очистки, а также в разные промежутки времени. Делайте заметки и оценивайте эффект. Вы можете обнаружить, что затраты на очистку на самом деле могут быть больше, чем затраты, связанные с более низким уровнем деградации.

Деградация PERC и Topcon

После появления новых технологий солнечных элементов, производители и ученые исследуют поведение этих технологий в различных условиях окружающей среды., Например, в работе Buyer aware: Three new failure modes in TOPCon modules absent from PERC technology исследована деградация солнечных панелей под воздействием «влажного тепла» (dump heat). Были получены данные, которые показали, что при воздействии «влажного тепла» TopCon модули могут деградировать больше, чем PERC (см. спойлер)

В NREL также провели исследования деградации различных технологий солнечных элементов при различном воздействии (свет, влажное и сухое тепло, потенциал), которые показали, что солнечные элементы TopCon, произведенные известными производителями (тестировались Jinko и JA Solar) имеют меньшую деградацию по сравнению с предыдущими поколениями (стандартные монокристаллы и PERC).

Исследование, проведенное Институтом энергетических систем Фраунгофера (ISE) в Германии, выявило проблемы с надежностью солнечных элементов с туннельным оксидным пассивированным контактом (TOPCon). В ходе исследования был проведен анализ 20 типов фотоэлектрических модулей TOPCon от широкого круга производителей с использованием ряда электрических характеристик и оценок ускоренного старения. Он обнаружил некоторые виды отказов, которые кажутся некритическими, такие как деградация, вызванная светом и температурой (LeTID).

В другом исследовании тесты показали большую производительность и меньшую деградацию у солнечных элементов n-типа. Исследования, проведенные Национальным центром контроля качества фотоэлектрических систем Китая, показывают, что новые модули TOPCon n-типа оправдывают свои обещания, превосходя по производительности предыдущее поколение продуктов PERC p-типа. Данные, собранные за шесть месяцев с помощью фотоэлектрической системы с фиксированным наклоном, показали, что продукты n-типа производят на 3,69% больше энергии, а также имеют гораздо меньшие потери производительности.

Эта статья прочитана 4694 раз(а)!

Продолжить чтение