Пожалуй, мечта каждого современного человека, понимающего, как важна экологическая чистота — независимость от внешнего источника энергии. К тому же, значительное подорожание электроэнергии заставляет задуматься об альтернативном источнике энергии. На помощь придут солнечные батареи, которые работают от неисчерпаемого ресурса — излучения солнца. Благо, на рынке представлен широкий ряд таких устройств. Состоят они из панелей, которые ловят солнечную энергию, контролера заряда, следящего за потоком энергии, аккумулятора, а также инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный. Решив приобрести такое чудо техники, любой покупатель задастся вопросом: а какой срок службы солнечных батарей и панелей?
Что обещают производители?
Большинство производителей солнечных установок гарантируют, что срок службы их батарей и, соответственно, панелей равен тридцати годам. Существенная разница со сроком службы любой другой техники, согласитесь. К тому же, все мы понимаем, что гарантийный срок не означает, что на тридцать первый год батарея умрет и ее срочно нужно будет заменить. Очень вероятно, что она прослужит верой и правдой еще не один год, просто с вероятностью постепенного уменьшения эффективности и коэффициента полезного действия.
Факторы, которые влияют на срок службы батарей и панелей.
По сути, назвать срок работы с высокой точностью невозможно, так как существует ряд факторов, влияющих на данный показатель. Например, уменьшить срок жизни панелей может резкая смена температуры воздуха либо батареи могут перегреться. Но при этом фотоэлементы практически неубиваемые.
Разрушиться могут следующие детали: пленка для герметизации, задняя поверхность модуля и прослойка между стеклом и фотоэлементом. Ультрафиолет разрушает герметик, защищающий от влажности элементы и электрические соединения. Вследствие этого эластичность фотоэлементов уменьшается и они подвержены механическому повреждению. Если же произойдет замутнение прослойки, эффективность солнечной батареи значительно упадет, так как на фотоэлементы будет попадать мало солнечной энергии. Поэтому, если вы решили самостоятельно приступить к созданию солнечных батарей и панелей, помните, что герметик в разы увеличит срок их службы. Даже самый обычный силикон увеличит их прочность, позволив устройству выдержать самый резкий перепад температуры и другие воздействия.
Еще одним немаловажным фактором стоит назвать цену. Мы не утверждаем, что нужно приобретать дорогущие солнечные батареи, но, согласитесь, ждать высокого качества, например, от дешевых китайских панелей, не стоит. Сэкономив и купив такие, вы должны быть готовы к тому, что прослужат они меньше заводских. Выбирая батарею, обращайте внимание на мелочи: например, не совсем аккуратно спаянные элементы должны вас насторожить.
Выбираем солнечные батареи с длительным сроком службы.
С каждым годом производители совершенствуют свои устройства, в том числе пытаются увеличить срок их работы. Так, разработчики придумали пассивное охлаждение рабочей поверхности на панелях. В конструкцию батареи вмонтировали кристаллы из кварцевого стекла, отражающие инфракрасное излучение от самой установки.
Обращайте внимание также на маркировку. Выделяют три уровня качества:
- А: при тестировании батареи ее уменьшение мощности равно не более 5%.
- В: снижение мощности не больше 30%.
- С: реальное снижение мощности больше 30%.
То есть, выяснив маркировку интересующей вас модели, вы будете наверняка знать ее реальный срок работы.
Срок службы солнечных батарей
Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10%. Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет. Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40% мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90% рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.
Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника – от 5 до 20 лет.
Многие производители дают гарантию на свои модули на период от 10 до 25 лет. При этом они гарантируют, что мощность модулей снизится не более, чем на 10%. Гарантия на механические повреждения дается обычно на срок от 1 до 5 лет.
Наиболее богатым опытом эксплуатации обладают кристаллические модули. Их начали устанавливать еще 50-х годах прошлого века, а массовое использование началось в конце 1970-х. Поэтому именно о долговечности таких модулей уже можно делать какие-то выводы.
Расчетный срок службы кристаллических модулей обычно 30 лет. Производители делают ускоренные тесты по эксплуатации модуля для того, чтобы оценить его реальный срок службы. 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 результат 2 основных факторов – постепенное разрушение пленки, используемой для герметизации модуля (обычно используется этиленвинилацетатная пленка – ethylene vinyl acetate; 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 не заметно 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. Однако измерения, проведенные на реально работающих с 1980 годов модулей показывают, что их выработка уменьшилась не более, чем на 10%. Очень многие из этих модулей и до сих пор работают с заявленными при производстве параметрами (т.е. нет деградации). Поэтому можно смело говорить, что модули будут работать не менее 20 лет, и с высокой вероятностью обеспечат высокие показатели и через 30 лет с момента начала работы.
Приобретая солнечные панели для использования в бытовых целях энергию солнечного излучения, любому потребителю желательно знать гарантийные сроки работоспособности таких панелей.
Как известно, имеющиеся в продаже солнечные батареи классифицируются по показателю своей мощности, который, в свою очередь, зависит от размера панели и типа используемых для её работы термоэлектрических преобразователей. В частности, производятся солнечные панели либо на кремниевых, тонкоплёночных элементах, либо на моно- или поликристаллических. Последние мощнее, дороже, но занимают меньшее пространство на крыше.
Зависимость надёжности солнечной батареи от типа рабочих элементов
Общий принцип действия солнечной батареи представлен на рис. 1.
Рис.1: 1 – Световой поток; 2 – Верхний контакт панели; 3 – Верхний слой фотоэлемента (p); 4 – Промежуточный слой фотоэлемента (p-n переход); 5 – Нижний слой фотоэлемента (n); 6 – Нижний контакт панели.
Очевидно, что на будут влиять долговечность покрытия фотоэлемента и коэффициент полезного действия панели при трансформации её освещённости в фактическое значение силы тока.
Долговечность покрытия солнечных батарей
Этот параметр будет определяться стабильностью свойств панели при ей нагреве и эффективностью противодействия материала внешним механическим воздействиям. Существуют стандартные испытания работоспособности солнечных батарей, которые регламентируются и устанавливаются специальной программой Potential Induced Degradation Test (PID) - тестом степени деградации солнечных элементов. Согласно данным PID-тестирования, наибольшую стабильность показывают солнечные батареи, собранные на , многослойных модулях, которые полностью сохраняют свою работоспособность при нагреве до 50...60 0 С. (или аморфные) солнечные батареи при этом допускают нагрев только до 25…35 0 С, после чего резко теряют свою мощность. Объясняется это совокупным и неблагоприятным действием следующих факторов:
- постепенным, но постоянным разрушением герметизирующей пленки лицевого контакта 1 (см. рис.1);
- разрушением заднего контакта панели 6 и постепенным снижением прозрачности прослойки между солнечными элементами и ограждающим стеклом.
Механизм данных явлений заключается в следующем. Влагостойкость солнечной батарее обеспечивает специальный герметик, который в течением времени разрушается ультрафиолетовым излучением солнца. При этом увеличивается поступление внешней влаги в пространство между слоями 3, 4 и 5 фотоэлемента. Происходит коррозия электрических контактов солнечной панели, в результате чего возрастает их электросопротивление. Впоследствии контакты разрушаются (к счастью, это происходит не скоро – даже в дешевых исполнениях солнечные батареи сохраняют свою работоспособность в течение 8…10 лет).
Косвенно оценить работоспособность и, таким образом, определить фактический срок службы солнечных батарей можно по вольтамперной характеристике установки (см. рис. 2), где приведен график мощности батареи в зависимости от нагрузки при обычных условиях эксплуатации солнечной панели.
Если вольтамперная характеристика стабильна в диапазоне напряжения холостого хода (как на рис.2), либо незначительно изменяется, то солнечная батарея сохраняет свою работоспособность, поскольку мощность батареи в этом случае зависит только от уровня освещённости, а не от суммарных потерь напряжения при разогреве панели. в подобных условиях будет оставаться на заявленном изготовителем уровне.
Долговечность аккумуляторов солнечных батарей
Из всех компонентов панели наименьшую долговечность имеют аккумуляторы. Для определения их работоспособности следует при покупке солнечной панели выяснить тип аккумулятора: если это обычные кислотно-свинцовые, то гарантированный срок их эксплуатации не превысит 5 лет, что в несколько раз меньше гарантийного срока работы самой панели. Оценить срок службы солнечных батарей в таком случае целесообразно по степени разряда аккумулятора (см. рис.3). Если фактическая ёмкость аккумулятора не превышает 35…40%, то его необходимо готовить к замене.
Как выбрать солнечную батарею с максимальным сроком службы
В последних конструкциях солнечных панелей используется конструктивное решение, обеспечивающее существенное увеличение срока работоспособности солнечных батарей. Оно заключается в пассивном охлаждении рабочих поверхностей солнечных панелей. В их конструкцию монтируются кристаллы кварцевого стекла, которые отражают вредное инфракрасное излучение от поверхности батареи.
Стоит обращать внимание и на маркировку солнечных панелей. Различают три основных уровня качества:
- Grade A: при тесте на старение фактическое снижение мощности не превышает 5%;
- Grade B: фактическое снижение мощности не превышает 30%;
- Grade C: фактическое снижение мощности превышает 30%.
Таким образом, уже по маркировке можно достоверно определять вероятный срок службы солнечных батарей .
Перед установкой автономного энергоснабжения возникают обычно два вопроса: «Сколько прослужит система?» и «За какой период она окупится?». Ведь именно от ответов на эти вопросы и зависит целесообразность расходов на приобретение и монтаж автономного контура. Срок службы солнечных панелей различен. Он зависит прежде всего от типа самих панелей.
Сроки службы
Как показали практические испытания, ресурс гелиопанелей составляет не менее 20 лет. После определенного количества времени (15-20 лет, в зависимости от типа и особенностей фотоячеек) наблюдается некоторое снижение мощности, которое и продолжается в дальнейшем. Как правило, батареи на монокристаллах работают до 30 лет, на поликристаллах – 20-25 лет. Тонкопленочные батареи последних поколение также служат порядка 20 лет.
Стандартная гарантия для большинства производителей солнечных панелей варьируется в достаточно значительных пределах – от 10 до 25 лет. Связан такой разброс с особенностями самих фотоячеек, их типом (поли-, моно-), классом («A», «B», «C»), качеством защитного лицевого покрытия и т.д.
Производители гарантируют, что в течение этого срока мощность их продукции снизится не более, чем на 10%. Падение мощности на более значительную величину чревато критическим снижением выработки всей системы, поскольку для солнечных электростанций очень важен каждый ватт произведенной энергии. Батареи из аморфного кремния, как правило, теряют 10-40% мощности в первые сезоны, после чего их выработка «замирает» на этом уровне.
Что влияет на срок службы
Стандартный расчетный срок использования кристаллических солнечных панелей – 30 лет. Чтобы выяснить скорость реального старения элементов, проводятся целые серии разного рода тестов. Они показывают, что сами фотоячейки имеют очень большой ресурс, их деградация после нескольких десятилетий использования минимальна.
Падение же производительности солнечных батарей связано с тремя факторами:
- разрушение герметизирующей модуль пленки;
- замутнение пленочной прослойки между фотоячейками и защитным стеклом;
- разрушение тыльной пленки солнечной батареи.
Для герметизации солнечных панелей (равно как и в качестве пленочной прослойки) применяется пленка EVA (ethylene vinyl acetate, так называемая «этиленвинилацетатная»). Тыльная же сторона панели обычно представляет собой поливинилфосфатную пленку.
Такая пленочная защита необходима для предохранения фотоячеек и паяных соединений панели от действий влаги. Под действием УФ-лучей солнечного спектра пленки постепенно разрушаются, они теряют свою эластичность и легче поддаются механическим воздействиям. Как следствие, ухудшается герметичность и влага начинает активнее просачиваться внутрь панели.
Кроме того, EVA-пленка между стеклом и фотоячейками теряет и свою оптическую прозрачность, что приводит к уменьшению поглощения солнечных лучей. А из-за микрокапель влаги паяные соединения постепенно начинают корродировать, что приводит к увеличению сопротивления контакта, его перегреву и последующему разрушению.
Как правило, производители гарантируют ухудшение работы своих солнечных батарей не более, чем на 20% за 25 лет. Однако это относится только к зарекомендовавшим себя фирмам, которые тщательно следят за качеством продукции. Менее добросовестные компании при сборке панелей экономят на всем, чтобы выставить как можно более низкую итоговую цену продукта.
Такая экономия приводит к тому, что для герметизации используются некачественные (или неподходящие для специфичных условий солнечных батарей) материалы. Как следствие, разрушение контактов может наблюдаться уже на следующий сезон, что приводит к резкому падению мощности (вплоть до 30-40%). Особенно часто подобное явление можно наблюдать на дешевых садовых светильниках с фотобатареями.
Дополнительные факторы
На срок службы влияет и качество самой EVA-пленки, равно как и защитного ламинирующего покрытия. Некачественное покрытие дает ощутимую усадку уже в первый же сезон. Это приводит к практически полной разгерметизации панели, резкому снижению КПД и выходу изделия из строя.
Еще один аспект – толщина соединительных проводников и токопроводящих шин. Она должна быть достаточной для пропускания токов именно той мощности, которая заявлена в паспорте солнечной панели. Причем толщина шины должна быть больше, чем у проводников, соединяющих между собой фотоячейки. Если шина будет слишком тонкой (что нередко встречается в дешевых панелях малоизвестных фирм), то в скором времени она выйдет из строя.
Также влияет на срок работы и качество паяных соединений. Плохо выполненная пайка разрушается очень быстро и без воздействия коррозии, так как такие контакты сами по себе сильно перегреваются. Поэтому надежность паяных соединений – непременное условие длительной работоспособности.
Период окупаемости
Сроки окупаемости солнечных панелей зависят от нескольких факторов:
- Тип оборудования (поли- или моноячейки, одно- или многослойная структура солнечной батареи). От этого зависят первоначальные расходы, так как стоимость солнечных панелей разных типов варьируется довольно сильно.
- Количество устанавливаемых панелей. Именно поэтому очень важно заранее провести точный расчет всей системы.
- Географическая широта, точнее, величина инсоляции: чем больше солнца попадает на рабочую поверхность модуля, тем больше он вырабатывает энергии и тем быстрее «отбивает» затраты.
- Расценки на энергоресурсы в регионе. От стоимости киловатт-часа электроэнергии будет зависеть разница в стоимости выработанной солнцем энергии и энергии, полученной из центральной электросети. Иными словами, насколько выгоднее вырабатывать «солнечное электричество».
В среднем для частного дома сроки окупаемости составляют 2,5-3,5 года в среднеевропейских странах и 1,5-2 года в южноевропейских. Для России этот показатель варьируется в средних пределах от 2-х до 5-ти лет. Однако нужно помнить, что с совершенствованием технологий изготовления повышается КПД (энерговыработка) панелей, а значит, постепенно снижается и срок окупаемости.
Одним из главных критериев при покупке любого товара является его срок годности, ведь с течением времени любой прибор выходит из строя. Это правило действует и для солнечных батарей. Их стоимость на сегодняшний день достаточно велика, и от того как долго проработают батареи, можно будет судить, успеют они окупить себя или нет.
Из наших предыдущих статей вы уже знаете, что солнечная система энергообеспечения состоит из 4-х основных элементов: солнечных батарей, аккумулятора, инвертора и контроллера заряда/разряда. Срок службы у них всех различный. Самым «стойким» компонентом считаются СБ, но в любом случае все зависит от типа панели, производителя и многих других факторов.
Срок службы в зависимости от типа батареи
В зависимости от материала, на основе которого сделаны фотоэлементы, варьируется и срок годности панелей. Самым распространенным вариантом считаются кремниевые СБ, но и здесь нет определенной цифры. Для солнечных батарей из поликристаллического кремния срок эксплуатации составляет около 20 лет и более, из монокристаллического – от 30 лет и более, а вот батареи, изготовленные на основе аморфного кремния, проживут не более 10 лет.
Но это еще не все подводные камни. Мало кто задумывается, что с течением времени мощность модулей постепенно снижается. Аморфные панели уже за первые два года эксплуатации потеряют от 10 до 40% первоначальной мощности, для кристаллических батарей этот показатель значительно меньше – 10% за 25 лет. Большинство производителей дают гарантию на свою продукцию 10-25 лет. Получается, что при правильной эксплуатации минимальный срок годности солнечных панелей составит не менее четверти века. Согласитесь, не каждый прибор может похвастаться такими показателями. И что немаловажно, все эти цифры были получены не в лабораторных условиях, а в результате тестирования СБ, установленных еще в 70-80-х годах.
Факторы, влияющие на срок службы
Просчитать срок жизни солнечных батарей с точностью до года невозможно. Существует немало факторов, которые влияют на рассматриваемый показатель. Резкие перепады температур, чрезмерный нагрев солнечных батарей – все это может сократить срок их жизни на несколько лет. Причем сами фотоэлементы практически вечны, разрушаются другие составные части панелей:
- Задняя поверхность модуля.
- Пленка, применяемая для герметизации.
- EVA прослойка между фотоэлементами и стеклом.
Под действием ультрафиолетового излучения происходит разрушение слоя герметика, который применяется для защиты элементов и электрических соединений от влаги. Этот процесс приводит к уменьшению эластичности фотоэлементов и как следствие к механическим повреждениям. Замутнение EVA прослойки становится причиной снижения эффективности работы солнечных батарей, так как меньшее количество света попадает на фотоэлементы. Если Вы планируете изготовить СБ своими руками, помните, что герметик увеличивает срок жизни панели. Покрыв модули обычным силиконом, Вы сделаете их более прочными, это позволит панелям выдерживать резкие перепады температур и другие вредные внешние воздействия.
Не всегда стоимость является объективным критерием качества, но игнорировать ее тоже не стоит. Приобретая дешевые китайские панели, Вы должны быть готовы к тому, что срок их годности будет значительно меньше, чем у батарей, изготовленных на зарекомендовавших себя заводах. Даже небольшие зазоры в раме или неаккуратно спаянные элементы должны восприниматься Вами как весомый аргумент в пользу отказа от подобных модулей.
Российские ученые на передовую…
Солнечная энергетика в России развивается очень медленно, но это не мешает нашим ученым делать инновационные открытия в этой сфере. На этот раз отличились красноярские ученые, которые представили СБ, срок службы которых достигает 100 лет. Как Вы понимаете это в 3 – 4 раза больше, чем у существующих аналогов. Разработанные модули получили вполне логичное название «ВЕК».
И что самое интересное, предложенная ими технология и в вопросе финансовых затрат намного выгоднее. Получается, что красноярские СБ не только проживут дольше, но и обойдутся дешевле. Одни только плюсы. Разработанная технология была удостоена награды «За успешное продвижение инноваций в солнечной энергетике» на конкурсе, который прошел в Москве.
Статью подготовила Абдуллина Регина
Подробнее о работе солнечных панелей: