Сколько служат солнечные батареи и как продлить этот срок

Какой срок службы солнечной батареи и от чего он зависит

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.

Срок службы солнечных батарей

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 срок службы солнечных батарей 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 поликристаллических, многослойных модулях, которые полностью сохраняют свою работоспособность при нагреве до 50. 60 0 С. Тонкоплёночные (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. Коэффициент полезного действия солнечной 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.

Как продлить срок службы свинцово-кислотного аккумулятора

Жизнь свинцово-кислотной аккумуляторной батареи можно разделить на три этапа: формирование, пик и спад. На этапе формирования пластины, окруженные жидким электролитом, находятся в губчатом состоянии. “Тренировочная зарядка” приводит к процессу поглощения этими пластинами электролита, чем-то этот процесс похож на впитывание кухонной губкой воды. По мере формирования электродов емкость аккумулятора постепенно увеличивается.

Рисунок 1: Жизненный цикл свинцово-кислотного аккумулятора делится на три этапа: формирование, пик и спад.

Этап формирования является крайне важным для аккумуляторов глубокого цикла. Требуется 20-50 полных циклов для достижения пиковой емкости и это происходит уже в процессе эксплуатации, а не подготовки. Но производители советует на этом этапе не подвергать аккумулятор сильным разрядным нагрузкам. Стартерные же аккумуляторы менее критичны в этом плане и могут сразу полноценно использоваться. Значение пускового тока нового стартерного аккумулятора уже соответствует номинальному, но по мере формирования оно даже немного возрастает. (Смотрите BU-701: Нюансы использования обслуживающего заряда для аккумуляторных батарей).

Аккумуляторы глубокого цикла могут обеспечить порядка 100-200 циклов до начала постепенного снижения емкости. Когда емкость такого аккумулятора упадет до 70-80%, его необходимо заменить. В некоторых случаях бывает допустимо использование экземпляров с меньшим уровнем емкости, но никогда не доводите этот показатель до 50%, так как после достижения такого уровня дальнейшее поведение аккумулятора непрогнозируемое.

Чтобы держать свинцово-кислотный аккумулятор в хорошем состоянии, к нему необходимо применять полную зарядку насыщения продолжительностью 14-16 часов. Если же нет возможности обеспечить такую зарядку на регулярной основе, проводите ее хотя бы раз в несколько недель. По возможности, обеспечьте умеренную температуру эксплуатации и избегайте глубоких разрядов; заряжайте аккумулятор так часто, как только сможете. (Смотрите BU-403: Зарядка аккумуляторов свинцово-кислотной электрохимической системы).

Основной причиной относительно короткого срока службы свинцово-кислотного аккумулятора является истощение активного вещества. Согласно исследованиям 2010 BCI Failure Mode Study, за последние 5 лет процент выхода из строя аккумуляторов из-за износа электродных решеток и/или пластин возрос с 30 до 39%. Хотя причины такого возросшего износа в докладе и не указаны, можно предположить, что это связано со все более высокими требованиями к стартерному аккумулятору в современных автомобилях. Подобные исследования проводятся каждые пять лет, анализируя причины выхода из строя аккумуляторов.

В принципе, истощение активного вещества – это довольно понятный и прогнозируемый процесс, но свинцово-кислотные аккумуляторы подвержены и другим негативным воздействиям, которые могут вывести их из строя задолго до естественной деградации электродных решеток и пластин. К этим воздействиям относятся: коррозия, оползание активного вещества, внутреннее короткое замыкание, сульфатация, высыхание, кислотная стратификация и поверхностный заряд. Далее мы рассмотрим эти явления и то, как им можно противостоять корректной эксплуатацией.