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.