СЕС, що працює вже 40 років

Термін служби сонячних панелей - питання, яке турбує майже всіх, хто бажає побудувати сонячну електростанцію. Виробники обіцяють мінімальні терміни впевненої експлуатації від 25 років, але наскільки це відповідає реальності?

Зазвичай мають на увазі, що термін експлуатації сонячних панелей - це той період, в який вони зберігають не менше 80% від своєї початкової потужності. На щастя, завдяки ентузіазму швейцарських вчених 80-х років, у нас є живий приклад дійсно довгої експлуатації сонячної електростанції без заміни панелей.

Рекордна СЕС

Сонячна електростанція потужністю 10 кВт подає електроенергію до швейцарської електромережі з 1982 року. Дослідницька група перевірила ефективність перших 35 років життя масиву та виявила, що виробники сонячних модулів можуть обіцяти, принаймні в помірному кліматі, термін служби сонячної панелі 35 років, і що технічна документація має велике значення!

Фотосистема TISO ‐ 10 (TIcino SOlare) була підключена до мережі в 1982 році на даху сучасного PVLab в Університеті прикладних наук і мистецтв Південної Швейцарії, розташованому в італійськомовному кантоні Тічіно, де вона діяла майже безперебійно майже 40 років.

Вимірювання продуктивності масиву проводилося протягом приблизно 35 років з 1982 по 2017 рік, коли Федеральне бюро енергетики Швейцарії (SFOE) доручило двом вченим - Алессандро Віртуані, старшому науковому співробітнику École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) , і Мауро Каччіво, керівнику SUPSI PVLab,та їхнім командам аналіз величезної кількості зібраних даних. "Нам довелося обробити неймовірну масу паперу, і майже два роки знадобилося, щоб розібрати всю відповідну інформацію", - сказав Каччівіо.

40-річні панелі

Будівництво цієї СЕС обійшлося у близько 284 000 швейцарських франків (близько 309 000 доларів США сьогодні і 475 000 доларів США на той час), а 288 модулів, використаних для проекту, коштували близько 21 швейцарський франк кожен (22,9 доларів США зараз і близько 37 доларів США на той час). Вироби із загартованого скла, потужністю 37 Вт кожен, були надані Arco Solar, яку спочатку придбав німецький конгломерат Siemens, а потім німецький виробник сонячних панелей SolarWorld в 2007 році. «Коли модулі були придбані в 1980 році , Arco Solar був одним з найбільших світових виробників і мав близько 1 МВт річної виробничої потужності », - уточнив Каччівіо.

Незважаючи на те, що електрична схема системи кілька разів змінювалася після заміни інверторів, всі модулі старіли разом, завжди піддавалися впливу зовнішнього середовища та сонячного світла і ніколи не відновлювались та не перероблялись, за дуже незначними винятками, коли в розподільних коробках було замінено діоди.

"Ці модулі мають вражаючу механічну міцність", - підкреслили Віртуані та Каччівіо, зазначивши, однак, що їх вага та механічні розміри, а також товщина сонячних елементів не є репрезентативними для того, що може статися з сонячною батареєю з точки зору тріщин на фотоелектричній системі, побудованій за допомогою модулів, вироблених сьогодні або в останні роки "Але ці модулі можуть розповісти нам багато про проникнення вологи та вплив сонячних променів", - заявили вони. "Кожна панель була герметизована шаром із сталевої фольги, що функціонує як бар'єр для проникнення води, яка затиснута шарами полівінілфториду з обох сторін", - пояснили вони, додавши, що виріб за конструкцією близький до того, що сьогодні ми б визначили як біфаціальну панель.

За ефективності у 10%, модулі мають напругу розімкнутого контуру 21,5 В, струм короткого замикання 2,55 А і коефіцієнт заповнення 68%. Кожен з них має розміри 121,9 × 30,5 х 3,8 см, важить 4,9 кг і базується на 35 монокристалічних комірках діаметром 102 мм. "Сьогодні комірки набагато складніші і можуть включати поверхневі шари пасивації або більш складні структури", - сказав Віртуані. "Ця складність може потенційно зробити комірки слабшими і піддавати їх вищим показникам деградації".

Загалом інвертори замінювались п’ять разів. Перші пристрої, які були надані Abacus, були замінені через 10 років новим продуктом від Invertomatic, а конструкція системи також була модифікована, з створенням більш довгих стрінгів і деяким зменшенням кількості модулів. Пізніше були встановлені інвертори SMA, і конструкція системи повернулася до початкової конфігурації з 288 модулями. Сонячні модулі - це єдині компоненти системи, які ніколи не замінювались.

Різні групи

Ефективність модулів була однаковою для всіх панелей, і дослідники змогли розділити їх на три групи, причому найбільш ефективні з них майже не мали ознак вигорання від сонячних променів, тоді як у двох інших групах спостерігався середній і високий рівень вигорання. "У третій групі вигорання було настільки інтенсивним, що деякі панелі мали коричневий колір", - сказав Віртуані. " Довгострокові електричні показники та старіння панелей сильно пов'язані з відповідними групами та поведінкою основи, яка використовується для їх виготовлення".

Хімічний аналіз, проведений в останні роки, підтвердив, що три варіанти основи були виготовлені з одних і тих же базових полімерів, але три їхні відповідні постачальники використовували різні добавки в рецептурі, що пояснює різну підсумкову ефективність. "Як і в багатьох інших випадках з сонячними електростанціями, диявол полягає в деталях", - заявив Віртуані. "Просто змінивши один елемент, в даному випадку постачальника основи, можна змінити всю продуктивність PV-масиву", - додав він. «Це свідчить про те, що точна документація має значення. І багато!"

Через те, що вилучення полімерів з модуля є деструктивною технікою, дослідники могли проводити хімічний аналіз лише на обмеженій кількості модулів, але вони виключали інші причини деградації, оскільки пожовтіння - це проблема, яка стосується виключно пластикової основи. "З іншого боку, модулі не демонструють ознак проникнення вологості", - пояснив Каччівіо.

Всі три основи були засновані на полівінілбутиралі (PVB), термопластичному полімері, який використовувався з початку 80-х років для інкапсуляції фотоелектричних модулів і з тих пір замінений етиленвінілацетатом ( EVA ). "Колишній менеджер Arco Solar підтвердив, що на той момент основа, ймовірно, була PVB і що компанія використовувала трьох різних постачальників PVB", - підкреслили вчені.

Три групи

Близько 21,5% модулів демонстрували річну деградацію -0,2% на рік, тоді як інша група, що представляє 72,9% панелей, демонструвала річну деградацію від -0,2% до -0,7% на рік. "Більшість панелей другої групи також успішно працюють, виправдавши початкові очікування", - заявив Каччівіо, зазначивши, що цю групу можна розділити на дві підгрупи, які стосуються різних варіантів основи.

З 1982 по 2017 роки модулі першої групи загалом погіршились щонайбільше на 13%, а модулі другої групи - до 21%, хоча половина з них не перевищила 20% втрати. За словами швейцарських вчених, близько 70% модулів, що використовуються в масиві, як і раніше задовольнять гарантії продуктивності, яку виробники модулів наразі розглядають, застосовуючи до технологій завтрашнього дня, що означає прогнозований термін придатності сонячних панелей у 35 років.

Аналіз також показав, що 87,5% модулів зазнали певного типу незначного розшарування пластику та проблеми з кількома розподільними коробками, але ці негаразди були рівномірно розподілені між трьома групами. Крім того, деякі модулі, серед іншого, показали тріщини, погіршення стану поверхні скла, корозію внутрішніх ланцюгів, гарячі точки та ін.

Реконструкція чи заміна?

Коли вчених запитували про майбутнє цієї фотоелектричної системи та про застарілі установки в цілому, і чи реконструкція може бути кращим варіантом, ніж дозволяти старим масивам продовжувати виробляти потужність, хоча з меншими виходами, вони запропонували різні перспективи.

"З економічної точки зору може бути кращим здійснити модернізацію та зміну потужності, або врешті-решт замінити старий масив абсолютно новою системою", - сказав Каччівіо. "Однак Європейська Комісія встановила 40-річний життєвий цикл для сонячних модулів, і, вочевидь, ми повинні використовувати сонячні продукти до кінця їх життєвого циклу або до тих пір, поки не буде залишено тільки 80% їх первісних характеристик". Досліджувана фотоелектрична система показала, що її помітна частина втратила лише 0,2% на рік від початкової ефективності і все ще значно перевищує цей 40-річний поріг, додав він.

За словами Віртуані, можна продовжити життєвий цикл фотоелектричної системи, здійснивши належне технічне обслуговування. "Якщо фотоелектрична система працює добре, вона може працювати понад 40 років", - пояснив він. «З іншого боку, нині чимало бізнес-планів розробляються протягом 30-річного періоду. Але ніщо не забороняє нам продовжувати роботу фотоелектричної системи довше запланованого, якщо системи та модулі працюють добре ».

Він також зазначив, що продовження терміну служби фотоелектричної системи понад 30-річний ліміт може також залежати від застосувань фотоелектричної системи. Наприклад, масив, що живить водяний насос, не повинен працювати на повну потужність, і, можливо, його можна використовувати набагато більше, ніж може очікувати його власник. Таким чином, у випадку такого виробу, як сонячні панелі, термін служби буде тільки починатися з 35 років.