г. Москва, ул. Ленинская слобода, д. 19,
БЦ "Omega Plaza", 3й эт., оф. №3024-3

Оценка долговечности крышной солнечной электростанции через стандарты МЭК

Опубликовано: 13.10.2021

Обновлено: 13.10.2021


  • Оценка долговечности крышной солнечной электростанции через стандарты МЭК
Как долго служат солнечные панели, размещаемые на крышах жилых домов? На срок эксплуатации типичной крышной солнечной электростанции (СЭС) влияет множество факторов, включая, среди прочего, климатические условия, тип электрогенерирующего модуля и используемой монтажной системы. 

Инженеры профильного издания PV-Magazine провели комплексное исследование вопроса, опираясь на результаты работы коллег из иных организаций и добровольные стандарты Международной электротехнической комиссии (International Electrical Commission; IEC; МЭК), чтобы помочь заинтересованным сторонам принять предельно обоснованное решение касаемо целесообразности развертывания собственной крышной СЭС.

Проблемы деградации

По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (National Renewable Energy Laboratory; NREL), потеря солнечными панелями эффективности с течением времени, называемая деградацией, обычно находится на уровне около 0,5% в год. Учитывая данную интенсивность деградации, панель 20-летнего возраста способна выдавать около 90% от первоначального КПД. 

Производители генерирующего оборудования обычно заявляют, что при эксплуатации в течение 25+ лет износ достигает достаточно высокого уровня, чтобы задуматься о замене панели. Качество панели способно оказать определенное влияние на скорость деградации. Инженеры NREL отмечают, что производители электрогенерирующих систем премиум-класса вроде Panasonic и LG предлагают клиентам показатель годовой деградации на уровне около 0,3%. Панели некоторых малоизвестных брендов, напротив, деградируют с интенсивностью до 0,8% в год. 

По прошествии 25-летнего периода эксплуатации премиальные солнечные панели сохраняют способность выдавать 93% от первоначального КПД. Панели малоизвестных брендов с более высокой степенью деградации будут выдавать уже 82,5%.

Значительная часть потери КПД, происходящей в ходе продолжительного использования солнечных панелей по прямому назначению, связана с явлением, называемым потенциальной индуцированной деградацией (Potential Induced Degradation; PID). С данной проблемой сталкиваются некоторые, но далеко не все панели. 

Феномен PID возникает, когда потенциал напряжения панели и ток утечки стимулируют подвижность ионов внутри модуля: между полупроводниковым материалом и иными элементами солнечной панели, включая стекло, опору и раму. Подобные процессы приводят к снижению выходной мощности модуля. В некоторых случаях просадка мощности оказывается значительной. Ряд производителей создает панели из устойчивых к PID материалов, оптимизируя соответствующим образом стекла, изоляционные материалы и диффузионные барьеры. 

Все панели дополнительно страдают от так называемой световой деградации (Light Induced Degradation; LID), теряя эффективность в первые часы пребывания на солнце. Согласно данным испытательной лаборатории PVEL (PV Evolution Labs), уровень негативного воздействия LID варьируется от панели к панели в зависимости от качества пластин кристаллического кремния, но обычно приводит к единовременной потере эффективности в диапазоне от 1% до 3%. 

Погодные условия 

Воздействие погодных условий является основным драйвером деградации панелей. Тепло выступает ключевым фактором, влекущим как временное проседание эффективности панели в определенный момент, так и сокращение КПД в долгосрочной перспективе. 

Согласно данным NREL, окружающая температура отрицательно влияет на эффективность электрических компонентов. Подобно остальной электронике и электрооборудованию, солнечные панели функционируют за счет электрических процессов, которые подвластны законам термодинамики. Согласно данным законам, с повышением уровня тепла рабочей среды выходная мощность снижается. 

При повышении температуры окружающей среды в солнечной панели формируется внутреннее сопротивление, снижающее КПД: происходит нарастание потока электронов внутри модуля, вызывающее увеличение силы тока и проседание напряжения. Причем уровень спада напряжения оказывается более значительным относительно увеличения силы тока, ввиду чего общая мощность (равна произведению напряжения и силы тока) снижается.

Тепловое воздействие дополнительно вызывает деградацию панелей за счет процесса, называемого термоциклированием. При установлении теплой погоды, материалы расширяются, а когда температура понижается, - сжимаются. Подобные деформации с течением времени медленно приводят к образованию микротрещин на солнечной панели, что снижает эффективность. 

Проводя тематическое ежегодное исследование Module Score Card, эксперты PVEL проанализировали 36 действующих солнечных электростанций в Индии и обнаружили значительное негативное влияние теплового воздействия. Среднегодовая деградация в целом по выборке составила 1,47%. При этом СЭС, расположенные в более холодных горных регионах, деградировали почти вдвое медленнее: КПД в их случае снижался на 0,7% ежегодно.

Корректный монтаж помогает решить проблемы, связанные с нагревом. Панели следует устанавливать на несколько сантиметров выше поверхности крыши, чтобы потоки воздуха проходили под ними, охлаждая оборудование. Эксперты рекомендуют использовать при изготовлении панелей светлые материалы, чтобы ограничить поглощение тепла. А критически важные компоненты вроде инверторов и функциональных блоков объединения, характеризующихся особенно высокой чувствительностью к нагреванию, следует размещать в затемненных местах. 

Ветер - еще одно погодное условие, способное нанести ущерб солнечным батареям. Сильный ветер может вызвать изгиб панелей. Данный эффект называется динамической деформацией под воздействием механической нагрузки. Подобный процесс также вызывает появление микротрещин в панелях, снижая эффективность. 

Некоторые решения для монтажа панелей оптимизированы с учетом особенностей районов, характеризующихся сильными ветрами, защищая электрогенерирующее оборудование от значительных подъемных сил и ограничивая образование микротрещин. Обычно в техническом паспорте изделия производителем указывается максимальная сила ветра, которую солнечная панель способна выдерживать. 

Аналогичная картина наблюдается в случае снега, способного покрывать панели, ограничивая эффективность поглощения фотонов. Снег дополнительно вызывает динамическую деформацию под воздействием механической нагрузки, разрушающую панели. Обычно снег соскальзывает с панелей, поскольку модули скользкие и теплые, но в некоторых случаях домовладельцам приходится чистить панели от снега самостоятельно. Подобную процедуру надлежит выполнять предельно осторожно, поскольку царапины на стеклянной поверхности панели способны отрицательно повлиять на состояние устройства.

Деградация – неизбежная составляющая эксплуатации солнечной панели. Правильная установка, а также тщательная очистка от снега и пятен могут помочь с поддержанием максимально возможной эффективности. Важно помнить, что солнечная панель – система без движущихся частей, требующая незначительного обслуживания.

Устанавливая стандарты

Чтобы гарантировать длительный срок службы конкретной панели с сохранением желаемого уровня эффективности, устройство проходит стандартные испытания для сертификации. В частности, солнечные батареи проходят испытания с использованием стандартов Международной электротехнической комиссии, применимых как к моно-, так и к поликристаллическим панелям. Например, в ход идет серия стандартов МЭК 61215, включающая следующие документы: 
  • МЭК 61215-1: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1: Требования к испытаниям";
  • МЭК 61215-1-1: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-1: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе кристаллического кремния";
  • МЭК 61215-1-2: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-2: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе тонкопленочного теллурида кадмия (CdTe)";
  • • МЭК 61215-1-3: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-3: Особые требования к испытаниям фотоэлектрических модулей на основе тонкопленочного аморфного кремния";
  • МЭК 61215-1-4: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 1-4: Особые требования к испытаниям тонкопленочных фотоэлектрических модулей на основе соединения Cu(In,Ga)(S,Se)2 ";
  • МЭК 61215-2: 2021 "Наземные фотоэлектрические модули - Аттестация конструкции и утверждение типа - Часть 2: Процедуры испытаний".
Панели, соответствующие стандартам МЭК 61215, проходят испытания, касающиеся оценки электрических характеристик: токи утечки во влажном состоянии, сопротивление изоляции, а также показатели эффективности панели в стандартных условиях, включая максимальную выходную мощность.

Панели дополнительно проходят испытания на механическую нагрузку (ветер, снег) и климатические испытания, позволяющие определить стойкость к воздействию ультрафиолета, замораживанию влаги, влажному теплому климату, ударам града и иным воздействиям, возникающим при эксплуатации на открытом воздухе.

Также на корпусах панели часто встречается маркировка Underwriters Laboratories (UL), отражающая соответствие стандартам одноименной организации и успешное прохождение соответствующих испытаний на безопасность. 

Показатели отказов 

Выход из строя солнечной панели происходит редко. Эксперты NREL провели исследование более 50 тыс. систем, установленных в Соединенных Штатах Америки и 4.5 тыс. систем, эксплуатируемых по всему миру, в период с 2000 по 2015 гг. Исследование показало: среднегодовая частота отказов находится на уровне 5 панелей из 10 тыс.

С течением времени количество отказов панелей заметно сократилось. В ходе исследования обнаружилось, что системы, установленные в период с 1980 по 2000 гг., показывали вдвое более высокую частоту отказов относительно устройств, установленных после 2000 года. 

Простои крышных СЭС редко связаны с отказом панели. Исследование, проведенное компанией kWh Analytics, показало: 80% простоев солнечных электростанций является результатом выхода из строя инвертора - устройства, преобразующего постоянный ток в переменный. Максимизировать надежность и эффективность панелей помогают релевантные стандарты, включая документы МЭК. 


Поделиться с друзьями!

Теги: IEC МЭК солнечные батареи солнечные панели альтернативная энергетика крышная солнечная электростанция крышная СЭС МЭК 61215


Подписка
Оставьте ваш e-mail, чтобы получать новости