Что такое PID или деградация солнечных панелей

Деградация солнечных панелей, а именно potential induced degradation (PID) ведет к снижению результативности функционирования батарей с течением времени. В некоторых случаях она может быть обратимой, но всегда представляет собой сложную техническую проблему, требующую незамедлительного решения.

Что такое PID?

О том, что такое PID, впервые пришлось задуматься инженерам американского производителя гелиопанелей SunPower. Высокоэффективное оборудование в некоторых случаях теряло до 30% от заявленной заводом мощности за чрезвычайно короткий срок.

Причиной этого послужила поляризация — потенциал солнечных панелей относительно земли. Заземление положительного электрода позволило не только надежно предотвращать деградацию, но и восстанавливать работу агрегатов, уже подвергшихся этому процессу.

Сутью PID является появление токов утечки, наблюдаемых в пространствах между пластинами полупроводника и прочими составляющими модуля:

• защитного каркаса;
• ламинирующей пленки или материала ПЭТ;
• стеклом.

Модуль, таким образом, теряет способность создавать паспортное выходное напряжение. К этому результату приводит разность потенциалов между солнечной батареей (составляющими ее модулями) и монтажной конструкцией (каркасом из нержавеющей стали или алюминия).

Процессу деградации подвергаются все модули без исключения:

• моно- и поликристаллические;
• тонкопленочные.

В каждом конкретном случае она, однако протекает особенным образом и с различной степенью интенсивности. Особенно нежелательным процесс представляется с той точки зрения, что проекты любых модульных систем по переработке солнечной энергии в электрическую, а также крупных солнечных электростанций предполагают бесперебойное функционирование на протяжении не менее, чем 25-30 лет.

Непредвиденное значительное уменьшение их выработки в первые же годы является катастрофой как в техническом, так и в экономическом отношении.

Причины деградации солнечных панелей

Исследования вопроса помогли выявить, что подвижность электронов увеличивается по мере роста температуры и влажности среды. Посторонние предметы, вступающие в контакт с поверхностью фотоэлектрического модуля, также усиливают поляризацию.

К основным причинам деградации оборудования принято причислять:

• особенности структуры преобразователя системы;
• строение модуля;
• некоторые нюансы строения системы;
• влияние внешней среды.

Окружающая среда практически не подлежит контролю, в то время как на остальные факторы, приводящие к PID и вызывающие деградацию солнечных панелей, можно влиять в значительной степени.

Структура преобразователей фотоэлектрической системы

Соединения, присутствующие в антирефлекторном покрытии панелей, как оказалось, могут способствовать деградации. Их влияние было обнаружено благодаря современным физическим методам исследований (вторичной ионной масс-спектрометрии), обнаружившим натрий стекла в поверхностном пространстве покрытия.

Изначально покрытие этого типа (ARC) стали применять с целью увеличения захвата световых лучей. Благодаря ему достигается рост коэффициента преобразования энергии системы.

Особенности строения модулей гелиопанели

Для того, чтобы минимизировать проявление PID-эффекта, необходимо уделить особенное внимание выбору:

• фронтального стекла;
• материала, предназначенного для инкапсулирования;
• диффузионного барьера.

Исследования подтверждают, что одними из наиболее существенным факторов деградации служат ингредиенты натриево-известкового стекла, а именно те из них, что отсутствуют в кварцевом его варианте.

Основным таким элементом принято считать натрий по факту его высокой электрической активности, однако влияние могут оказывать также кальций, магний и алюминий.

Материалы для ламинирования модулей отличаются значительным разнообразием и отличаются по показателям проводимости.

1. Пленка EVA (винилацетат этилена) отлично предотвращает поляризацию и последующую деградацию солнечных панелей. На сегодняшний день она является предпочтительным материалом для инкапсуляции оборудования. Уксусная кислота в ее составе может также оказаться фактором, ответственным за растворение ионов металла при так называемой коррозии стекла на его поверхности.
2. Материал PVB (поливинилбутираль), наоборот, провоцирует активизацию процесса деградации гелиопанели. Он практически не сопротивляется поступлению жидкости, а в результате роста ее количества неизменно увеличивается и проводимость.

В качестве материала для создания диффузионного барьера между поверхностью стекла и районами полупроводника с максимальной электрической активностью успешно применяется двуокись кремния. Она отлично справляется с предотвращением развития процессов формирования токов утечки, однако лазерная абляция способна оставлять небольшие пробелы внутри слоя с барьерным веществом, что может создавать определенные проблемы в его функционировании.

Особенности строения системы

На уровне фотоэлектрической системы наиболее значимыми факторами деградации служат входное напряжение и его знак, который зависит от размещения модуля и типологии заземления. Исходя из этих показателей выбирается тип инвертора.

В зависимости от вида заземления потенциал напряжения системы модулей может претерпевать значительные изменения.

Чаще всего PID-эффект связывается с отрицательным знаком напряжения в отношении к заземлению. Доскональные исследования проводились также в области положительного потенциала.

Емкостные эффекты играют важную роль в формировании зависимости между напряжением и деградацией солнечных панелей. Электрические заряды при миграции ионов, вызываемой конкретными электрическими явлениями, уменьшают коэффициент полезного действия модуля, оказывая воздействие на пластины полупроводника.

В любом случае, анализ, проведенный инженерами компании SunPower, свидетельствует о том, что процессы PID поддаются стабилизации в состоянии, присущем каждой разновидности модуля.

Воздействие факторов окружающей среды

Экспериментально доказанным является тот факт, что рост показателей температуры и относительной влажности снижают результативность функционирования солнечных батарей и электростанций на их основе. Особенно разрушительное воздействие оказывают:

• высокие влажность и температура среды и оборудования, действующие одновременно;
• перепады показателей температуры;
• регулярно имеющие место циклы оттаивания и замерзания воды.

В последнем случае ток утечки усиливается из-за разрушения целостности ламинирующей пленки EVA. Это приводит к снижению ее сопротивления процессу деградации панели.

Методы определения PID

Основным признаком деградации солнечных панелей служит снижение эффективности их работы, не поддающееся объяснению.

1. Самым простым способом выявления PID в конкретном модуле или их системе является замер показателей напряжения холостого хода. Для его проведения достаточно использовать обычный вольтметр. Нередко процесс затрагивает только одну из частей цепочки, располагающуюся ближе к положительному или отрицательному полюсу.
2. В случае когда доступ к модулям цепочки затруднен, выявить деградацию помогает метод электролюминесценции.

Тестирование на восприимчивость к деградации модулей в специализированных центрах сертификации и лабораториях составляет неотъемлемую часть технологий современной солнечной энергетики. Оно является также необходимым шагом для получения финансирования проекта в данной сфере.

Необратимая деградация солнечных батарей

В зависимости от характера действующих факторов деградация оборудования может быть обратимой или необратимой.

1. Эффект поверхностной поляризации, с которым столкнулись сотрудники завода SunPower в 2005 г., относится к обратимой разновидности деградации. Он создает стабильное накопление статического заряда на поверхности деталей модуля, которое, однако, удается нейтрализовать с возвратом к полной исходной мощности оборудования. Развитие ситуации этого типа связывают с переходом ионов натрия от фронтального стекла к фотоэлектрическим преобразователям.
2. Необратимая деградация обычно вызывается нарушениями в структуре агрегата. На их появление могут влиять перепады температуры, особенно циклы заморозки и оттаивания, проникновение воды и иных жидкостей в значительном объеме под внешнее покрытие и призванную обеспечить герметичность ламинирующую пленку.

Процесс первого типа часто встречается в системах с кристаллическими кремниевыми элементами, в то время как необратимая PID в наибольшей степени характерна для тонкопленочных модулей. Ее появление обуславливается электрохимическими реакциями, приводящими к коррозии, повреждению оборудования, расслоению составных элементов модуля.

Необратимая деградация солнечных панелей представляет собой серьезную проблему, угрожающую потерей дорогостоящей техники и экономическим провалом значимых для развития сектора солнечной и альтернативной энергетики проектов. Данный процесс требует немедленного реагирования, выявления причин происходящей утечки и минимизации убытков.