Приняв решение переходить на возобновляемые источники энергии, будьте готовы к тому, что технологии, обеспечивающие их использование, не вечны. Ветрогенераторы и солнечные панели имеют свой срок службы, после истечения которого, их необходимо заменять. Если же говорить о солнечных батареях, то им свойственно еще и такое явление как деградация. Именно на проблемах деградации и утилизации отработавших свое солнечных батарей мы бы и хотели остановиться сегодня более детально.

Как сообщает компания RayTrade, процесс деградации производительности фотоэлектрических модулей (Potential Induced Degradation – PID) – это значительное ухудшение свойств модулей со временем. При этом КПД может снизиться до 95%, что крайне нежелательно для любых солнечных батарей.

Стоит отметить, что деградация присуща абсолютно всем поли-, монокристаллическим и тонкопленочным модулям, однако PID-процесс происходит в каждом случае совершенно по-разному и с разной интенсивностью.

Хотя изучение PID-процессов началось еще в 70-х годах, активная фаза изучения пришлась именно на 2008-2012 годы, время, когда фотовольтаика осуществила стремительный скачок – появились крупные промышленные солнечные электростанции (СЭС), а цена на солнечные батареи значительно упала (иногда за счет качества). Проблематика деградации фотоэлектрических модулей является чрезвычайно важной для крупных солнечных электростанций, которые при строительстве используют кредитные средства и рассчитывают свой ​​бизнес-план на 20-30 лет работы модулей. Спад производительности на 40-80% в течение первых лет становится для них катастрофическим в техническом и финансовом плане.

Изучение PID-факторов стало невероятно важным для производителей панелей и девелоперов.

Причины возникновения PID-процессов

Сами солнечные элементы, используемые в солнечных модулях, имеют практически неограниченный срок службы и показывают отсутствие деградации по прошествии десятков лет эксплуатации. Однако выработка модулей со временем падает. Это происходит в результате двух основных факторов – постепенного разрушения пленки, используемой для герметизации модуля (обычно используется этиленвинилацетатная пленка – EVA) и разрушение задней поверхности модуля (обычно поливинилфосфатная пленка), а также постепенное замутнение прослойки из EVA пленки, расположенной между стеклом и солнечными элементами.

Герметик модуля защищает солнечные элементы и внутренние электрические соединения от воздействия влаги. Так как практически невозможно полностью защитить элементы от влаги, модули на самом деле «дышат», но это крайне трудно заметить. Влага, попавшая внутрь, выводится наружу днем, когда температура модуля возрастает. Солнечный свет постепенно разрушает герметизирующие элементы за счет ультрафиолетового излучения, и они становятся менее эластичными и более податливыми на механические воздействия. Со временем, это приводит к ухудшению защиты модуля от влаги. Влага, попавшая внутрь модуля, ведет к коррозии электрических соединений, увеличению сопротивления в месте коррозии, перегреву и разрушению контакта или к уменьшению выходного напряжения модуля.

Второй фактор, уменьшающий выработку модуля – это постепенное уменьшение прозрачности пленки между стеклом и элементами. Это уменьшение незаметно невооруженным глазом, но ведет к снижению мощности модуля за счет того, что меньше света попадает на солнечные элементы.

Максимальное ухудшение обычно гарантируется производителями на уровне не более 20% за 25 лет.

Обратим также внимание и на то, что монокристаллические панели имеют немного большую скорость деградации по сравнению с поликристаллическими в первый год эксплуатации. Мощность качественного поликристалла в первый год снижается в среднем на 2%, монокристалла – на 3%. В последующие годы монокристалл деградирует на 0,85%, в то время как поликристалл деградирует на 0,8% в год. Весьма незначительная разница. Хотя известны случаи деградации до 20% уже в первый год работы панелей. Но такие и стоят дешевле.

Необходимо знать, что дешевые солнечные панели изготовлены из элементов так называемого класса Grade B или даже Grade С. Однако, если разобраться, то все имеет свою цену. Конечно, покупка недорогих солнечных панелей из элементов класса Grade B или С может иметь смысл, но приличная компания должна предупреждать покупателей, что модуль сделан из таких элементов и потому цена их ниже, а надежность трудно прогнозируемая и отдача меньше.

Для монокристаллических солнечных панелей существуют следующие классы элементов:

• Grade A – высший класс, самый высокий КПД (более 17%), отсутствие сколов, трещин и царапин, которые приводят к снижению эффективности преобразования света в электроэнергию. Идеальный внешний вид, однородность кристаллов, цвета и т. п. Две половинки различных элементов рядом невозможно отличить друг от друга.
• Grade B – второй сорт, частичный брак и т.п. Эти элементы быстрее стареют и даже изначально производительность их меньше.

Grade С – низкий сорт, невысокий КПД (14% и менее). К визуальным дефектам добавляются микротрещины, сколы отломанные кусочки элементов, и т. п. Ни один серьёзный производитель из таких элементов модули не делает.

Влияние PID- явлений 

Компания TÜV Rheinland Group определила проблемы, вызванные PID-эффектом тремя факторами:

• снижением производительности;
• снижением силы тока и напряжения;
• изменением инфракрасного изображения пластин (ИК).

Необъяснимые потери производительности могут быть признаком PID. Отметим наиболее простым способом выявления PID-эффекта в отдельном модуле, или массиве является использование обычного вольтметра для измерения уровня напряжения холостого хода.

Деградация необратима?

PID – эффект может быть обратимым, либо необратимым, в зависимости от причины. Очевидно, что необратимый эффект намного серьезнее, он требует немедленного выявления и минимизации убытков. Необратимая деградация модулей, как правило, вызвана электрохимическими реакциями, что приводит к электротехнической коррозии и/или расслоению составляющих модуля. Необратимые процессы были зарегистрированы в основном в тонкопленочных модулях, хотя и в кристаллических случаются довольно часто.

Необратимые процессы деградации солнечных модулей, в основном, связаны с дефектам структуры, вызванными перепадами температуры, циклами замерзания/размораживания, прониканием влаги и нежелательных примесей в макроскопических масштабах под фронтальное покрытие, ламинирующий слой модулей.

Оборотная форма PID, также известная как «поверхностная поляризация» или «эффект поляризации» была обнаружена специалистами SunPower в 2005 году. Фрагмент сообщения SunРower об открытии: «Этот новый эффект был нами назван «поверхностной поляризацией. Он создает стабильное, но обратимое накопления статического заряда на поверхности солнечных элементов. Данный эффект, как правило, связан с кристаллическими кремниевыми модулями».

Независимо от конкретных механизмов, тестирование модулей продемонстрировало способность обратного эффекта поляризации, и тем самым полного восстановления исходной мощности модулей.

Тестирование на PID-эффект

Проводить тестирование модулей на восприимчивость к PID-деградации теперь стало как никогда важно для любого крупномасштабного «солнечного» проекта, и часто совершенно необходимо для получения финансирования. Тестирование может определить является ли механизм, вызывающий PID обратимым, какие меры и как могут быть применены для минимизации потерь мощности.

Сегодня проверки модулей и систем на уязвимость к PID-эффекту проводит около десяти исследовательских лабораторий и центров сертификации.

Хотя PID-процессы и обратимы, однако, так или иначе, они влекут за собой следующую проблему эксплуатации солнечных панелей – выход из строя и последующую утилизацию. Об этом мы поговорили с Аналитиком Ассоциации участников рынка альтернативных видов топлива и энергии Украины (АПЕУ) Игорем Костиком.

Кто, по вашему мнению, должен заниматься утилизацией солнечных панелей?

Согласно практике Европейского союза эту обязанность должны взять на себя производители. 13 августа 2012 года в директиву WEEE (Директива ЕС об отработанном электронном и электрическом оборудовании) были внесены изменения, согласно которым, не позднее 1-го квартала 2014 года все члены ЕС должны были внедрить новые инициативы WEEE на уровне национальных законов. Изменения в директиве обязывают производителей на бесплатной основе принимать отработанные или испорченные в ходе эксплуатации солнечные панели для дальнейшей переработки с соблюдением экологических норм. Но законы были приняты вовремя не во всех странах ЕС. Например, в Германии необходимый закон вступил в силу относительно недавно, 26 октября 2015 года.

Какие могут возникнуть проблемы с утилизацией солнечных панелей? Чем опасен этот процесс?

Солнечные панели содержат достаточно опасные для экологии элементы. Примитивная утилизация в виде выбрасывания солнечных панелей на свалку увеличивает вероятность загрязнения почвы и поверхностных вод из-за риска попадания химических и токсичных элементов содержащиеся в солнечных панелях.

Есть ли в Украине и в мире, компании, которые уже занимаются утилизацией, или разрабатывают методику и технологии их утилизации?

Компания Sharp начала внедрять такие технологии ещё в 2002 году. Их специалисты используют 2 метода:

1) Нанесение на модуль нового эпоксидного слоя на задней стороне, обеспечивая повторное использование стекла модуля, солнечных батарей и других материалов.

2) Расплавление компонента модуля (за исключением солнечных батарей), строительство новых ячеек из этих пластин, и их использование для производства новых модулей.

Существенный вклад вносит Ассоциация PV Cycle. Она оказывает специализированные услуги управления по переработке отходов системных продуктов солнечной энергетики. В её состав входит более 25 компаний, которые являются лидерами по производству оборудования для данной отрасли. Отдельно стоит также упомянуть о таких проектах как Secondsol. Это онлайн площадка, на которой возможна покупка и продажа отработанных, бракованных и отремонтированных солнечных панелей.

Исходя из слов эксперта видим, что в Украине пока что проблема утилизации солнечных модулей никак не решается. Компаний, которые бы работали в этой нише, попросту нет, как нет и законодательства обязывающего к этому. При этом солнечные технологии активно внедряются и популяризируются. Так, установленная мощность электростанций, входящих в объединенную энергосистему (ОЭС) Украины, в 2014 году увеличилась на 1,1% (на 609,7 МВт) по сравнению с 2013 годом – до 55 тыс. 114,1 МВт. В 2015 году численность «домашних» СЭС составила около 200. По мнению аналитиков канадской компании Energici Holdings, суммарная установленная мощность построенных в Украине фотоэлектрических станций продолжит расти и к концу 2017 года составит 3,087 ГВт (с учетом установленных мощностей в АР Крым до аннексии). А солнечное излучение станет вторым по важности возобновляемым источником энергии в стране. Только вот о том, что делать с техникой, карьера которой закончилась, у нас предпочитают пока не думать.

Источник:  газета «Нафтопродукти» №50 (854) от 14 декабря 2015 г.