Как избежать эффекта «длинного хвоста» в крупных фотоэлектрических установках

Аккумулятор FIAMM FG 22703

Новое исследование Университета Нового Южного Уэльса показало, что около 20 % солнечных модулей на крупных фотоэлектрических станциях выходят из строя гораздо быстрее, чем ожидалось. Исследователи рекомендуют использовать комплексные стратегии, такие как применение прочных материалов, усовершенствованных конструкций и упреждающий мониторинг, чтобы разделить пути деградации и предотвратить каскадные сбои.

Группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) изучила феномен «длинного хвоста» в крупномасштабных фотоэлектрических установках и обнаружила, что около 20 % солнечных модулей, используемых в полевых условиях, выходят из строя гораздо быстрее, чем ожидалось.

«Длинный хвост» возникает, когда значительное количество модулей на одном и том же объекте не соответствуют ожиданиям, что создаёт существенный риск для владельцев активов. Это явление называется «длинным хвостом», потому что график, показывающий выработку энергии с течением времени, представляет собой кривую с высоким пиком и длинным нисходящим участком.

«Исследование показывает, что длинный хвост экстремальной деградации фотоэлектрических систем является неотъемлемой характеристикой фотоэлектрических парков и наблюдается во всех климатических зонах и типах проектов, а не ограничивается конкретными регионами или технологиями. Даже при анализе данных в отдельных климатических зонах, таких как жаркие пустыни, Средиземноморье, регионы с умеренным климатом, сохраняется ярко выраженный длинный хвост, что указывает на то, что экстремально низкая производительность — это не просто результат объединения данных из разных климатических зон», — рассказал автор исследования Шукла Поддар. «Тем не менее на то, насколько серьёзным будет «хвост», влияют климат и контекст проекта. В жарких, сухих или жарких и влажных регионах, как правило, наблюдаются более высокие средние темпы деградации и более выраженные «хвосты», поскольку тепловой стресс, воздействие ультрафиолета и влаги ускоряют несколько механизмов деградации одновременно».

«Исследование также показало, что наиболее серьёзная деградация часто происходит, когда несколько механизмов взаимодействуют друг с другом и усиливают друг друга. Например, разрушение подложки приводит к проникновению влаги, что, в свою очередь, ускоряет коррозию, образование горячих точек и обесцвечивание», — продолжила она. «Чтобы избежать такого взаимодействия, необходимо тщательно выбирать материалы, например, использовать прочные подложки или конструкции «стекло — стекло», совместимые герметики, модули и архитектуры, которые ограничивают электрическое несоответствие, а также строго контролировать качество производства, чтобы снизить младенческую смертность, и проводить упреждающий мониторинг и техническое обслуживание в полевых условиях. Органы по стандартизации переходят к комбинированным испытаниям на воздействие УФ-излучения, тепла и влажности, чтобы модули выдерживали реальные условия эксплуатации. На практике это означает, что производители должны не только соответствовать требованиям каждого стандарта IEC по отдельности, но и учитывать синергетические нагрузки. В совокупности эти меры направлены на разделение путей деградации, чтобы первоначальный дефект или фактор стресса не приводили к цепочке отказов, из-за которых модули попадают в «длинный хвост» деградации.

Основными факторами, способствующими образованию “длинного хвоста”, являются, среди прочего, разрушение, вызванное потенциалом (PID), разрушение, вызванное светом (LID), термоциклирование или температурный стресс, влажность и попадание влаги внутрь, механическое напряжение, вызванное ветром, снегом и градом, а также вызванное ультрафиолетовым излучением разложение полимеров в герметиках и защитных листах.

Чтобы изучить их, исследователи предприняли три основных шага. Во-первых, они проверили, не является ли длинный хвост просто статистическим артефактом, возникающим при агрегировании глобальных данных, проведя отдельный анализ для каждой климатической зоны. Во-вторых, они изучили взаимосвязь между восемью распространёнными механизмами деградации, чтобы определить, является ли их совместное возникновение определяющей характеристикой сильно повреждённых модулей. Наконец, они рассмотрели временную динамику длинного хвоста, проанализировав как возрастное распределение по всему набору данных, так и долгосрочные данные по отдельным системам, чтобы понять, как со временем изнашиваются модули.

Анализ показал, что «длинный хвост», наблюдаемый в полевых условиях, отражает сочетание трёх факторов: преждевременные отказы из-за изначальных дефектов, снижение производительности из-за взаимодействующих механизмов деградации и длительный износ из-за скрытых дефектов. По словам исследователей, такой многофакторный подход объясняет, почему реальные распределения деградации «искажены».

«Длинный хвост» появляется на графиках, показывающих скорость деградации панелей в год. Это означает, что до 20 % всех образцов работают в 1,5 раза хуже, чем в среднем, — заявили они. — Другими словами, значительное количество панелей не деградирует с постоянной скоростью в течение длительного времени, как можно было бы ожидать, а вместо этого теряет энергию или неожиданно выходит из строя гораздо раньше».

Они предложили решать все проблемы, связанные с феноменом «длинного хвоста», с помощью комплексного подхода. «В контексте нашего исследования комплексный подход означает, что нужно не рассматривать отдельные виды отказов по отдельности, а проектировать, производить и эксплуатировать фотоэлектрические системы таким образом, чтобы предотвратить каскадные или взаимосвязанные механизмы деградации», — пояснил Поддар.

В качестве основных стратегий по смягчению последствий группа предложила разделить пути деградации с помощью надёжной конструкции и уменьшить взаимодействие между путями деградации за счёт усовершенствованной структуры модуля. «Будущая работа и усилия отрасли должны быть направлены на повышение исходного качества, понимание и предотвращение взаимодействия между сопутствующими путями деградации, а также на внедрение конструкций модулей, которые по своей сути более устойчивы к неизбежному возникновению несоответствий на уровне ячеек с течением времени», — заключили они.

Их выводы можно найти в исследовании «Понимание и снижение риска экстремальной деградации фотоэлектрических элементов», опубликованном в IEEE Journal of Photovoltaics.