Источник: Новотест
Как долго служат солнечные панели, размещаемые на крышах жилых домов? На срок эксплуатации типичной крышной солнечной электростанции (СЭС) влияет множество факторов, включая, среди прочего, климатические условия, тип электрогенерирующего модуля и используемой монтажной системы.
Инженеры профильного издания PV-Magazine провели комплексное исследование вопроса, опираясь на результаты работы коллег из иных организаций и добровольные стандарты Международной электротехнической комиссии (International Electrical Commission; IEC; МЭК), чтобы помочь заинтересованным сторонам принять предельно обоснованное решение касаемо целесообразности развертывания собственной крышной СЭС.
Проблемы деградации
По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (National Renewable Energy Laboratory; NREL), потеря солнечными панелями эффективности с течением времени, называемая деградацией, обычно находится на уровне около 0,5% в год. Учитывая данную интенсивность деградации, панель 20-летнего возраста способна выдавать около 90% от первоначального КПД. Производители генерирующего оборудования обычно заявляют, что при эксплуатации в течение 25+ лет износ достигает достаточно высокого уровня, чтобы задуматься о замене панели. Качество панели способно оказать определенное влияние на скорость деградации.
Инженеры NREL отмечают, что производители электрогенерирующих систем премиум-класса вроде Panasonic и LG предлагают клиентам показатель годовой деградации на уровне около 0,3%. Панели некоторых малоизвестных брендов, напротив, деградируют с интенсивностью до 0,8% в год. По прошествии 25-летнего периода эксплуатации премиальные солнечные панели сохраняют способность выдавать 93% от первоначального КПД. Панели малоизвестных брендов с более высокой степенью деградации будут выдавать уже 82,5%. Значительная часть потери КПД, происходящей в ходе продолжительного использования солнечных панелей по прямому назначению, связана с явлением, называемым потенциальной индуцированной деградацией (Potential Induced Degradation; PID).
С данной проблемой сталкиваются некоторые, но далеко не все панели. Феномен PID возникает, когда потенциал напряжения панели и ток утечки стимулируют подвижность ионов внутри модуля: между полупроводниковым материалом и иными элементами солнечной панели, включая стекло, опору и раму. Подобные процессы приводят к снижению выходной мощности модуля. В некоторых случаях просадка мощности оказывается значительной.
Ряд производителей создает панели из устойчивых к PID материалов, оптимизируя соответствующим образом стекла, изоляционные материалы и диффузионные барьеры. Все панели дополнительно страдают от так называемой световой деградации (Light Induced Degradation; LID), теряя эффективность в первые часы пребывания на солнце. Согласно данным испытательной лаборатории PVEL (PV Evolution Labs), уровень негативного воздействия LID варьируется от панели к панели в зависимости от качества пластин кристаллического кремния, но обычно приводит к единовременной потере эффективности в диапазоне от 1% до 3%.
Погодные условия
Воздействие погодных условий является основным драйвером деградации панелей. Тепло выступает ключевым фактором, влекущим как временное проседание эффективности панели в определенный момент, так и сокращение КПД в долгосрочной перспективе.
Согласно данным NREL, окружающая температура отрицательно влияет на эффективность электрических компонентов. Подобно остальной электронике и электрооборудованию, солнечные панели функционируют за счет электрических процессов, которые подвластны законам термодинамики.
Согласно данным законам, с повышением уровня тепла рабочей среды выходная мощность снижается. При повышении температуры окружающей среды в солнечной панели формируется внутреннее сопротивление, снижающее КПД: происходит нарастание потока электронов внутри модуля, вызывающее увеличение силы тока и проседание напряжения. Причем уровень спада напряжения оказывается более значительным относительно увеличения силы тока, ввиду чего общая мощность (равна произведению напряжения и силы тока) снижается.
Тепловое воздействие дополнительно вызывает деградацию панелей за счет процесса, называемого термоциклированием. При установлении теплой погоды, материалы расширяются, а когда температура понижается, - сжимаются. Подобные деформации с течением времени медленно приводят к образованию микротрещин на солнечной панели, что снижает эффективность.
Проводя тематическое ежегодное исследование Module Score Card, эксперты PVEL проанализировали 36 действующих солнечных электростанций в Индии и обнаружили значительное негативное влияние теплового воздействия. Среднегодовая деградация в целом по выборке составила 1,47%. При этом СЭС, расположенные в более холодных горных регионах, деградировали почти вдвое медленнее: КПД в их случае снижался на 0,7% ежегодно.
Корректный монтаж помогает решить проблемы, связанные с нагревом. Панели следует устанавливать на несколько сантиметров выше поверхности крыши, чтобы потоки воздуха проходили под ними, охлаждая оборудование. Эксперты рекомендуют использовать при изготовлении панелей светлые материалы, чтобы ограничить поглощение тепла. А критически важные компоненты вроде инверторов и функциональных блоков объединения, характеризующихся особенно высокой чувствительностью к нагреванию, следует размещать в затемненных местах.
Ветер - еще одно погодное условие, способное нанести ущерб солнечным батареям. Сильный ветер может вызвать изгиб панелей. Данный эффект называется динамической деформацией под воздействием механической нагрузки. Подобный процесс также вызывает появление микротрещин в панелях, снижая эффективность.
Некоторые решения для монтажа панелей оптимизированы с учетом особенностей районов, характеризующихся сильными ветрами, защищая электрогенерирующее оборудование от значительных подъемных сил и ограничивая образование микротрещин. Обычно в техническом паспорте изделия производителем указывается максимальная сила ветра, которую солнечная панель способна выдерживать.
Аналогичная картина наблюдается в случае снега, способного покрывать панели, ограничивая эффективность поглощения фотонов. Снег дополнительно вызывает динамическую деформацию под воздействием механической нагрузки, разрушающую панели. Обычно снег соскальзывает с панелей, поскольку модули скользкие и теплые, но в некоторых случаях домовладельцам приходится чистить панели от снега самостоятельно.
Подобную процедуру надлежит выполнять предельно осторожно, поскольку царапины на стеклянной поверхности панели способны отрицательно повлиять на состояние устройства. Деградация – неизбежная составляющая эксплуатации солнечной панели.
Правильная установка, а также тщательная очистка от снега и пятен могут помочь с поддержанием максимально возможной эффективности. Важно помнить, что солнечная панель – система без движущихся частей, требующая незначительного обслуживания.
Устанавливая стандарты
Чтобы гарантировать длительный срок службы конкретной панели с сохранением желаемого уровня эффективности, устройство проходит стандартные испытания для сертификации. В частности, солнечные батареи проходят испытания с использованием стандартов Международной электротехнической комиссии, применимых как к моно-, так и к поликристаллическим панелям.
Например, в ход идет серия стандартов МЭК 61215, включающая следующие документы:
МЭК 61215-1: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1: Требования к испытаниям";
МЭК 61215-1-1: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-1: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе кристаллического кремния";
МЭК 61215-1-2: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-2: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе тонкопленочного теллурида кадмия (CdTe)";
МЭК 61215-1-3: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-3: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе тонкопленочного аморфного кремния";
МЭК 61215-1-4: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-4: Особые требования к испытаниям тонкопленочных фотоэлектрических модулей на основе соединения Cu(In,Ga)(S,Se)2 ";
МЭК 61215-2: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 2: Процедуры испытаний".
Панели, соответствующие стандартам МЭК 61215, проходят испытания, касающиеся оценки электрических характеристик: токи утечки во влажном состоянии, сопротивление изоляции, а также показатели эффективности панели в стандартных условиях, включая максимальную выходную мощность.
Панели дополнительно проходят испытания на механическую нагрузку (ветер, снег) и климатические испытания, позволяющие определить стойкость к воздействию ультрафиолета, замораживанию влаги, влажному теплому климату, ударам града и иным воздействиям, возникающим при эксплуатации на открытом воздухе.
Также на корпусах панели часто встречается маркировка Underwriters Laboratories (UL), отражающая соответствие стандартам одноименной организации и успешное прохождение соответствующих испытаний на безопасность.
Показатели отказов
Выход из строя солнечной панели происходит редко. Эксперты NREL провели исследование более 50 тыс. систем, установленных в Соединенных Штатах Америки и 4.5 тыс. систем, эксплуатируемых по всему миру, в период с 2000 по 2015 гг. Исследование показало: среднегодовая частота отказов находится на уровне 5 панелей из 10 тыс.
С течением времени количество отказов панелей заметно сократилось. В ходе исследования обнаружилось, что системы, установленные в период с 1980 по 2000 гг., показывали вдвое более высокую частоту отказов относительно устройств, установленных после 2000 года.
Простои крышных СЭС редко связаны с отказом панели. Исследование, проведенное компанией kWh Analytics, показало: 80% простоев солнечных электростанций является результатом выхода из строя инвертора - устройства, преобразующего постоянный ток в переменный. Максимизировать надежность и эффективность панелей помогают релевантные стандарты, включая документы МЭК.