Три десятиліття, три клімати: вплив навколишнього середовища та матеріалів на довгострокову надійність фотоелектричних модулів

Дослідження виявляє значно нижчу, ніж очікувалося, деградацію сонячних модулів 1980-х та 1990-х років

 

Сонячні панелі зазвичай продаються з терміном служби від 25 до 30 років, що змушує багатьох домовласників замислюватися, що відбувається після цього. Чи вони непомітно виходять з ладу, чи зможуть продовжувати скорочувати рахунки за електроенергію ще довго після закінчення гарантії?
Новий аналіз шести сонячних установок у Швейцарії показує, що другий варіант є більш реалістичним, ніж багато хто думає. Після трьох десятиліть у реальному світі більшість панелей все ще виробляли понад 80% своєї початкової потужності, що, за словами дослідників, є чітким сигналом про те, що може забезпечити хороше обладнання.

 

Дослідницька група під керівництвом Швейцарського університету прикладних наук (SUPSI) провела довгостроковий аналіз шести малих сонячних фотоелектричних станцій, встановлених у Швейцарії наприкінці 1980-х та на початку 1990-х років.

 

Системні фотографії, що показують вигляд профілю (зверху) та вид з повітря (знизу). Приблизне розташування у Швейцарії вказано у правому нижньому куті.

Зображення: Університет прикладних наук і мистецтв Південної Швейцарії, EES Solar, CC BY 3.0

 

Дослідники SUPSI виявили, що шість швейцарських фотоелектричних систем, встановлених наприкінці 1980-х та на початку 1990-х років, демонструють надзвичайно низькі показники деградації – лише від 0,16% до 0,24% на рік після понад 30 років експлуатації. Дослідження показує, що теплове напруження, вентиляція та конструкція матеріалів відіграють більшу роль у довгостроковій надійності модулів, ніж лише висота над рівнем моря чи опромінення.

Результати представлені у статті «Три десятиліття, три кліматичні зони: вплив навколишнього середовища та матеріалів на довготривалу надійність фотоелектричних модулів», опублікованій у журналі EES Solar.

 

Дослідники виявили, що середньорічні втрати продуктивності в цих системах становили в середньому від 0,16% до 0,24%, що значно нижче за показники від 0,75% до 1% на рік, які зазвичай вказуються в літературі.

 

Усі розглянуті електростанції орієнтовані південь і оснащені сонячними модулями, доступними над ринком тоді. Це ARCO AM55 виробництва американської компанії Arco Solar, яка на той момент була найбільшим у світі виробником фотоелектричних модулів із річною виробничою потужністю всього 1 МВт, а також сонячні панелі Siemens серій SM55, SM55-HO та SM75. Модулі мають номінальну вихідну потужність від 48 Вт до 55 Вт і складаються зі скла на лицьовій стороні, шарів етиленвінілацетату (ЕВА), монокристалічних кремнієвих осередків та полімерного ламінату на задній стороні панелі.

 

У ході випробувань проводилося спостереження за вихідною потужністю змінного та постійного струму, температурою навколишнього середовища та модулів, а також інтенсивністю випромінювання у площині масиву панелей, виміряною за допомогою піранометрів.

 

Дослідники класифікували умови розміщення об'єктів за трьома категоріями: низько- та середньовисотне, а також високогірне.

 

Низькорозташовані системи встановлені у різних населених пунктах Швейцарії на висоті 310-522 метри над рівнем моря. Це покрівельні електростанції, в яких сонячні панелі або вбудовані в дахи, або стоять на плоских покрівлях і вільно вентилюються.

 

Аналіз також включав одну середньовисотну електростанцію в Мон-Солей (1270 м, модулі SM55) і дві високогірні системи, встановлені на фасадах будівель, в Бірзі (2677 м, AM55) і Юнгфрауйохе (3462 м, SM75).

 

Крім того, «для порівняння два модулі Siemens SM55 зберігалися у контрольованому внутрішньому середовищі у фотоелектричній лабораторії Бернського університету прикладних наук з початку кампанії моніторингу», — повідомили вчені.

 

Вони також застосували багаторічний метод порівняння результатів (multi-YoY) визначення темпів зниження продуктивності (PLR).

 

Результати показують, що PLR для всіх систем варіюються від -0,12% до -0,55% на рік, в середньому від -0,24% до -0,16% на рік, що значно нижче за типові темпи деградації, які зазвичай вказуються в літературі як для старих, так і для сучасних фотоелектричних систем.

 

Дослідники також виявили, що системи, встановлені на великих висотах, як правило, демонструють вищі середні показники продуктивності та нижчі темпи деградації, ніж аналогічні установки на малих висотах, незважаючи на більш високу радіацію та інтенсивність ультрафіолетового випромінювання.

 

Аналіз також показав, що модулі однієї серії, але з різною внутрішньою конструкцією (різні модифікації) демонструють різну поведінку при деградації. Стандартні модулі Siemens SM55 демонстрували повторювані відмови паяних з'єднань, що призводило до збільшення послідовного опору та зниження коефіцієнта заповнення (Fill Factor). На відміну від них, модифікація SM55-HO виграє від зміни конструкції задньої панелі, яка забезпечує більш високе внутрішнє відображення та покращену довготривалу стабільність.

 

В цілому, результати показують, що довготривала деградація фотоелектричних модулів раннього покоління обумовлена ​​переважно термічними напругами, умовами вентиляції та конструкцією матеріалів, ніж висотою розміщення або інтенсивністю випромінювання. Модулі, встановлені в прохолодніших і добре вентильованих умовах, продемонстрували особливо стабільну роботу протягом кількох десятиліть.

 

«Під час лабораторних вимірювань було показано, що більшість модулів зберегли понад 80% своєї первісної номінальної потужності після 30–35 років експлуатації, що перевищує типовий для галузі гарантійний поріг у 80% після 25 років і демонструє потенціал для терміну служби, що перевищує 50 років в умовах помірного клімату»,

 

У 2022 році ми розповідали , що найстаріша сонячна електростанція Європи працює безперервно понад 40 років.

 

Зрозуміло, факт, що старі модулі є такими якісними, не означає, що й сучасні так само добрі. Однак у порівнянні з дев'яностими значно покращилися процедури тестування та сертифікації, а також знання про матеріали та їх старіння. При відповідному контролі якості та сучасних матеріалах модулі, що продаються сьогодні на ринку, можуть розраховувати на тривалий термін служби.

 

Така довговічність суттєво змінює фінансові перспективи інвестицій у сонячну енергетику для житлових та комерційних приміщень. Коли сонячна панель продовжує генерувати значну кількість енергії після закінчення очікуваного терміну служби, вона забезпечує додаткову економію на роки після того, як система вже окупилася. Крім того, подовжений термін служби підвищує надійність енергетичних прогнозів для постачальників комунальних послуг та політиків, забезпечуючи стабільніший перехід до мереж відновлюваної енергетики.

 

Окрім економічних вигод, дослідження підкреслює критично важливий аспект, пов'язаний з навколишнім середовищем та здоров'ям. Стала продуктивність існуючих реакторів означає послідовне скорочення викидів CO2 та меншу залежність від викопного палива. Це сприяє покращенню якості повітря, вирішуючи серйозну глобальну проблему охорони здоров'я, пов'язану з мільйонами передчасних смертей щорічно.

 

Хоча дослідження зосереджувалося на певному сімействі високоякісних модулів, результати узгоджуються з ширшими даними Національної лабораторії відновлюваної енергії США. Висновок для типового споживача полягає в тому, що «специфікація матеріалів» та конкретні варіанти встановлення є життєво важливими. Ефективне управління теплом та вибір надійних компонентів можуть бути вирішальними факторами того, чи система просто переживе гарантійний термін, чи продовжуватиме виробляти чисту енергію понад 30 років.

 

«Дослідження показало, що специфікація матеріалів є найважливішим чинником, що впливає термін служби фотоелектричних модулів… Незважаючи на те, що всі модулі належать до одного сімейства продуктів, відмінності в якості герметизуючого матеріалу, наповнювачів і виробничих процесах призвели до значних відмінностей у швидкості деградації. Герметизуючі матеріали ранніх поколінь без УФ-стабілізації демонстрували прискорене старіння, тоді як пізніші конструкції модулів з оптимізованими задніми панелями та покращеною якістю виробництва показали видатну довготривалу стабільність».

 

Сьогодні все більша кількість виробників сонячних панелей переходить на 30-річну гарантію на свою продукцію. Є й більш амбітні заявки. Наприклад, у лютому 2022 року компанія Maxeon  оголосила , що для своїх IBC (Interdigitated Back Contact) сонячних панелей пропонує унікальну гарантію 40/40. Тобто 40-річну гарантію від виробничого шлюбу (від поломок) та 40-річну гарантію на продуктивність.

 

Високий термін служби сонячних модулів позитивно впливає економіку фотоелектричної генерації, знижуючи LCOE.