Деградация солнечных панелей, которую обозначают аббревиатурой PID (potential induced degradation), приводит к постепенному падению отдачи батарей. Иногда процесс обратим, но в любом случае это серьёзная техническая проблема, требующая быстрой реакции.
Что такое PID
Впервые задуматься об этом пришлось инженерам американского производителя гелиопанелей SunPower: высокоэффективное оборудование в отдельных случаях теряло до 30% заявленной заводом мощности за очень короткий срок. Причиной оказалась поляризация — потенциал панелей относительно земли. Заземление положительного электрода позволило и предотвращать деградацию, и восстанавливать уже пострадавшие агрегаты.
Суть PID — появление токов утечки в промежутках между пластинами полупроводника и другими элементами модуля:
- защитным каркасом;
- ламинирующей плёнкой или материалом ПЭТ;
- стеклом.
Модуль при этом перестаёт выдавать паспортное выходное напряжение. Причина — разность потенциалов между солнечной батареей с её модулями и монтажной конструкцией из нержавеющей стали или алюминия.
Деградации подвержены все модули без исключения — моно- и поликристаллические, тонкоплёночные, — но в каждом случае процесс идёт по-своему и с разной интенсивностью. Особенно неприятно это потому, что проекты модульных систем и крупных солнечных электростанций рассчитываются на бесперебойную работу в течение 25–30 лет. Непредвиденное падение выработки в первые же годы оказывается катастрофой и в техническом, и в экономическом смысле.
Причины деградации
Исследования показали, что подвижность электронов растёт вместе с температурой и влажностью среды, а посторонние предметы, контактирующие с поверхностью фотоэлектрического модуля, усиливают поляризацию. Основные группы причин:
- особенности структуры преобразователя;
- строение самого модуля;
- нюансы устройства системы;
- влияние внешней среды.
Окружающая среда контролю практически не поддаётся, зато на остальные факторы влиять можно в значительной степени.
Структура преобразователей фотоэлектрической системы
Выяснилось, что способствовать деградации могут соединения антирефлекторного покрытия панелей. Их влияние обнаружили современными физическими методами — вторичной ионной масс-спектрометрией, которая нашла натрий стекла в поверхностном слое покрытия. Изначально покрытие типа ARC применяли, чтобы увеличить захват световых лучей и поднять коэффициент преобразования энергии.
Строение модулей гелиопанели
Чтобы ослабить PID-эффект, особое внимание уделяют выбору фронтального стекла, материала для инкапсулирования и диффузионного барьера. Исследования подтверждают: один из самых существенных факторов — компоненты натриево-известкового стекла, которых нет в кварцевом варианте. Главным из них считают натрий как элемент с высокой электрической активностью, но влияют также кальций, магний и алюминий.
Материалы для ламинирования различаются по проводимости:
- плёнка EVA (винилацетат этилена) хорошо предотвращает поляризацию и последующую деградацию и сегодня остаётся предпочтительным материалом для инкапсуляции; при этом входящая в её состав уксусная кислота может растворять ионы металла при так называемой коррозии стекла на поверхности;
- материал PVB (поливинилбутираль), наоборот, ускоряет деградацию: он слабо сопротивляется поступлению жидкости, а с ростом её количества растёт и проводимость.
В качестве диффузионного барьера между стеклом и наиболее электрически активными областями полупроводника успешно применяют двуокись кремния. Она хорошо препятствует формированию токов утечки, однако лазерная абляция способна оставлять в барьерном слое небольшие пробелы, и это создаёт проблемы.
Особенности строения системы
На уровне всей фотоэлектрической системы наиболее значимы входное напряжение и его знак, зависящий от размещения модуля и типа заземления; исходя из этих показателей подбирают инвертор. В зависимости от вида заземления потенциал напряжения системы может меняться весьма существенно.
Чаще всего PID-эффект связывают с отрицательным знаком напряжения относительно заземления, хотя подробные исследования велись и для положительного потенциала. Важную роль играют ёмкостные эффекты: электрические заряды при миграции ионов воздействуют на пластины полупроводника и снижают КПД модуля. Анализ инженеров SunPower тем не менее показывает, что процессы PID поддаются стабилизации в состоянии, характерном для каждой разновидности модуля.
Факторы окружающей среды
Экспериментально установлено, что рост температуры и относительной влажности снижает отдачу батарей и электростанций на их основе. Наиболее разрушительны:
- одновременно высокие влажность и температура среды и оборудования;
- резкие перепады температуры;
- регулярные циклы замерзания и оттаивания воды.
В последнем случае ток утечки усиливается из-за нарушения целостности ламинирующей плёнки EVA, и её сопротивление деградации падает.
Методы определения PID
Основной признак — необъяснимое снижение эффективности работы панелей.
- Самый простой способ выявить PID в модуле или цепочке — замер напряжения холостого хода обычным вольтметром. Нередко процесс затрагивает лишь часть цепочки, расположенную ближе к положительному или отрицательному полюсу.
- Если доступ к модулям затруднён, применяют метод электролюминесценции.
Тестирование модулей на восприимчивость к деградации в специализированных центрах сертификации и лабораториях — неотъемлемая часть современной солнечной энергетики и обычное условие при получении финансирования проекта.
Необратимая деградация
- Обратимая. Эффект поверхностной поляризации, с которым столкнулись на заводе SunPower в 2005 году, относится именно к этому типу. Он создаёт стабильное накопление статического заряда на поверхности деталей модуля, но его удаётся нейтрализовать с возвратом к полной исходной мощности. Развитие такой ситуации связывают с переходом ионов натрия от фронтального стекла к фотоэлектрическим преобразователям.
- Необратимая. Её обычно вызывают нарушения в структуре агрегата: перепады температуры, особенно циклы заморозки и оттаивания, проникновение воды и других жидкостей в значительном объёме под внешнее покрытие и ламинирующую плёнку.
Первый тип чаще встречается в системах с кристаллическими кремниевыми элементами, второй наиболее характерен для тонкоплёночных модулей: здесь работают электрохимические реакции, приводящие к коррозии, повреждению оборудования и расслоению элементов модуля. Необратимая деградация грозит потерей дорогой техники и провалом проектов, поэтому требует немедленного выявления причин утечки и минимизации убытков.
