Скрытая стоимость грязи на солнечных панелях

Механизмы для производства или конвертирования энергии требуют топливо особых видов и качества, и солнечные (причем как фототермальные, так и фотоэлектрические (PV)) модули здесь не исключение. Однако солнечные панели имеют главное преимущество, поскольку топливо для них — солнечный свет — бесплатен.

Другие компоненты солнечных панелей имеют цену — от механических и электрических элементов до стекла, которое используется в качестве наружного защитного покрытия. Стекло обычно используется в качестве такого покрытия, потому что оно может не только защитить все внутренние компоненты панели, но и пропустить солнечное излучение, затем конвертируемое в тепло или электроэнергию.

Принимая во внимание эти оптические свойства, производственные линии сейчас массово выпускают маложелезистое стекло, часто с антиотражающим (AR) покрытием, увеличивающим светопропускание. Это улучшает характеристики панелей, но требует существенных трудозатрат, дополнительного расхода энергии и ресурсов, и, по-хорошему, затраты должны соответствовать или быть меньше той прибавленной стоимости, получаемой за счет этого от панелей в течение всего периода их эксплуатации.

К сожалению, этому препятствует затенение, которое снижает светопропускание. Обычно термин «затенение» используется для зданий, дымоходов, деревьев, антенн или других объектов, препятствующих прямому прохождению света, но самая главная причина затенения панелей — грязь.

Суммарно незначительная площадь поверхности стекла, закрытая грязью, дает в итоге существенное снижение энергии на выходе. Например, воздействие от грязи на стекле солнечных панелей настолько велико, что может быстро и легко отнять те 8% увеличения светопропускания, тяжко полученные за счет комбинирования маложелезистого стекла и AR-покрытия. В результате — ресурсы, инвестированные в эти две инновации (служащие для увеличения экономической эффективности), идут насмарку.

Научные исследования и публикации показывают, что атмосферная пыль и загрязнители снижают светопропускание стекла с или без антиотражающего покрытия как минимум на 6%, но эта величина может быть легко увеличена до 20% или более в зависимости от расположения и местных условий.

Относительно небольшая поверхностная площадь, затененная грязью, может снизить выход энергии на существенную величину. Например, из-за принципа работы солнечных PV-панелей их отдача мощности может быть снижена на 50%, причем только 1,4% его площади поверхности будет прикрыта грязью. Затенение может быть вызвано листьями от деревьев или просто грязью, прилипшей к стеклу.

Бытует общее заблуждение, что стекло в солнечных панелях «самоочищается», если они установлены под некоторым наклоном к горизонту. Считается, что угла наклона всего около 15° или более достаточно, чтобы дождь и ветер удалили всю грязь и другие затеняющие свет контаминанты с поверхности панелей. Это может быть правдой в лабораторных условиях, но никак не в городской, промышленной или приморской окружающей среде.

Частицы атмосферных контаминантов, такие как выхлоп от транспорта, промышленные выбросы и морской (соленый) туман, химически прикрепляются к стеклу, и их трудно, иногда совсем невозможно удалить с обычного стекла обычными методами очистки. Осевшие на стекло контаминанты снижают светопропускание, вызывая невозможность достичь штатных показателей технических характеристик панелей. Это означает еще и повышение реальных затрат на эксплуатацию и увеличение времени возврата инвестиций.

Наличие грязи объясняет, почему оригинальные характеристики солнечных панелей, т.е. высокие прозрачность и светопропускание, часто недолговечны. Воздействие грязи может также объяснить, почему для солнечных панелей часто применяют обычное строительное стекло вместо специализированных изделий, чьи высокие характеристики достигались в течение многих лет разработок.

Рис. 1. Стекло для солнечных панелей должно обладать высоким светопропусканием

Важность чистоты стекла для солнечных панелей

Стекло, применяемое в солнечных панелях, в силовых фотоэлектрических элементах (фотовольтаических панелях, PV) и тепловых, в первую очередь это конструкционный материал, который пропускает широкий спектр излучения солнечного света. Оптимальное светопропускание первостепенно, потому что цель у солнечных панелей — обеспечить лучистую солнечную энергию в различные типы первичной энергии для потребления: электрическую или тепловую.

Необходимость иметь оптимальное светопропускание означает необходимость иметь чистое стекло. Пока стекло новое, оно обеспечивает прозрачность и кристальную чистоту. Чистота стекла зависит от его очищаемости, т.е. степени сопротивляемости стекла к поверхностной коррозии и противодействию адгезии всех типов грязи, описанных ниже.

Высокое светопропускание через стекло обеспечивает у солнечных панелей прямую зависимость с высоким выходом электричества или тепла — если светопропускание снижается, выходная мощность падает даже быстрее, чем уменьшается светопропускание.

В целом, все, что оказывает влияние на снижение светопропускания — негативно и наоборот. Таким образом, очень важно поддерживать первоначальный уровень светопропускания, иначе фактическая экономическая эффективность может легко снизиться, сделать инвестиции в новые технологические приемы напрасными и даже достичь показателей невозврата инвестиций.

Наибольшее негативное влияние на светопропускание стекла солнечных панелей оказывают:

• коррозия поверхности стекла, вызванная влажностью и воздействием щелочей;
• затенение панелей физическими объектами (деревья, трубы, снег);
• затенение грязью.

Наибольший положительный эффект можно достичь за счет надежной, стойкой, неотслаиваемой и непригорающей защиты поверхности стела, которая будет сопротивляться и коррозии, и налипанию всяческой грязи, т.е. будет помогать поддерживать первоначальные показатели светопропускания.

Миф о «самоочищаемости» солнечных панелей

Часто ожидают, что ливень и ветер способны очистить солнечные панели, если те наклонены не менее чем 15°. Ошибочность этого и то, что солнечные панели нужно чистить, легко доказать на примере опыта эксплуатации архитектурного стекла и стекла для морских судов.

В прошлом стекло для зданий и морских судов было весьма восприимчиво к загрязнению и требовало больших затрат для его частой, а иногда интенсивной, очистки. Какое-то время с этим мирились, поскольку еще не существовало практичных решений. Напомним, что только новое стекло какое-то время может самоочищаться, причем если оно не повреждено царапинами, ветровой или химической эрозией, и когда речь идет о «неприклеивающейся» и «самоосыпающейся» грязи.

Сегодня, когда к панелям предъявляются особые свойства, повышающие их энергоотдачу, особенно важно обратиться к опыту решения проблемы в смежных секторах стекольной отрасли.

Риски «игр в числа»

Солнечная индустрия оперирует множеством численных оценок для сравнения энергоэффективности панелей, но большинство этих цифр получены в лабораторных условиях. Их нельзя применять для оценки панелей в настоящих «полевых» условиях эксплуатации.

Эта ситуация может привести к тому, что высокотехнологичное изделие быстро утратит свои первоначальные преимущества, а это может нанести вред репутации компании-производителя и всей солнечной индустрии.

Панели для PV-преобразования обычно рекламируются и сравниваются показателями «пиковой мощности» или «номинальной мощности» — расчетными величинами, представляющими потенциальную мощность, которую может произвести модуль в некоторых стандартных условиях для испытаний (Standard Test Conditions, STC), принятых в промышленности. Общие показатели солнечных панелей включают в себя пиковую мощность, номинальную мощность, к.п.д. элемента, к.п.д. модуля и коэффициент использования установленной мощности.

Типичный показатель на выходе панелей после фотоэлектрического преобразования составляет около 15%, т.е. 85% солнечного света, достигающего поверхности солнечных элементов, не преобразуется в электричество. Выход снижается еще больше за счет затенения от загрязнения.

Стандартные испытания обычно проводятся при выходе 1000 Вт/м² интенсивности солнечного излучения, при 25°С и других стандартных значениях. Это в соновном уровень солнечной освещенности на экваторе в полдень, но такое тестирование очень удобно проводить в лабораторных условиях, которые не отражают реальных условий экспозиции.

Это напоминает рекламирование автомобиля с максимальной скоростью 300 миль в час, причем зная, что это недостижимо в реальной жизни, поскольку на дорогах действуют ограничения, не позволяющие достигать скорости свыше 40 миль в час.

Рис. 2. Снег служит серьезным источником затенения

Затенение — наибольшая угроза для выходной мощности

Затенение — главный враг выходу энергии из-за блокирования прохождения света через стекло. Снег — другая серьезная угроза эффективному применению солнечных панелей.

Тепловые солнечные панели способны устранить часть загрязнения, но PV-панели очень чувствительны даже к малому уменьшению интенсивности освещенности. Например, полное затенение только одного элемента из 36 (типичное значение для PV-панелей), имеющего только 2,8% всей площади панели, вызывает падение выхода электроэнергии до 50%.

Затенение от неподвижных объектов снижает светопередачу в меньшей мере из-за светорассеивания и огибания светом препятствий. Затенение в непосредственной близости или прямо на поверхности PV-панели, такие как птичий помет, листья и пр., могут также снижать выход энергии до 50% от его показателя в незатененном состоянии.

Коррозия на поверхности стекла также может снижать эффективность, поскольку создает затенение. Основные причины коррозии поверхности стекла таковы:

• влажность, как от воды, так и от паров — от морской воды и водопроводной воды;
• щелочь — включая ионы морской воды и жесткие соли в водопроводной воде, растворяющая поверхность.

В сочетании влага и щелочи, особенно, когда речь идет о парах, вызывают быструю и необратимую коррозию поверхности незащищенного стекла. Эта агрессивная комбинация создает к тому же все условия для налипания всякого рода контаминантов (причем за счет химических связей), в дальнейшем усиливающих скорость коррозии, вызывающей помутнение стекла.

Если стекло подверглось действию коррозии, его впоследствии намного труднее чистить, и есть угроза механическому повреждению поверхности. Очищаемость стекла — важный показатель, поскольку на очистку обычного стекла расходуется довольно много ручного труда, энергии и чистящих материалов.

Грязное стекло = Сниженная светопередача = Низкий К.П.Д.

Грязь, порой даже невидимая — серьезный фактор снижения эффективности энергопреобразования в панелях. Например, по результатам двухмесячных исследований, проводившихся в Афинах (Греция, август 2009 г.), при эксплуатации без очистки панелей, наклоненных под углом 30°, наблюдалось существенное снижение их к.п.д. на выходе.

На поверхности панелей различают грязь по двум категориям:

• приклеиваемая грязь — трудно смываемая обычными способами, поскольку она химически прочно соединяется со стеклом; на ее счет относят минимум 3% потери светопропускания и потери мощности на выходе у PV-панелей;
• приклеиваемая грязь, обычно называемая «осыпающаяся грязь», такие как пыль, пыльца растений и пр., легко смывается, поскольку не образует со стеклом химических связей; на ее счет относят от 6% до 20% потери светопропускания и потери мощности на выходе у PV-панелей.

Влияние грязи на фотопанели очень быстро нейтрализует те примерно 8% прибавки к светопропусканию, которые были достигнуты за счет применения маложелезистого стекла и инновационного AR-покрытия. Т.е. затраты, инвестированные в эти инновации, окажутся понесенными напрасно.

Реальности эксплуатационных реалий

Когда стекло еще новое, типичные показатели светопропускания стекла на PV-панели таковы:

• стандартное флоат-стекло, 3 мм — 87%;
• маложелезистое стекло обычно прибавляет 4 процентных пункта, 3 мм — 91%;
• AR-покрытие добавляет еще 4%, 3 мм — 95%.

При экспозиции в реальных условиях эксплуатации грязь быстро и легко снижает эти показатели:

• приклеиваемая грязь — обычно отнимает минимум у светопропускания 3%; нейтрализует действие AR-покрытия;
• неприклеиваемая грязь — отнимает у светопропускания еще минимум 6%; нейтрализует применение маложелезистого стекла.

На самом деле цифры снижения светопропускания куда больше.
Рис. 3 показывает влияние грязи на светопропускание и снижение выходной мощности PV-панелей.

Рис. 3. Влияние грязи на светопропускание и снижение выходной мощности PV-панелей в зависимости от применяемого стекла

Восстановление светопропускания стекла для PV-панелей

Сейчас имеется три способа увеличения светопропускания:

• маложелезистое стекло — специальное стекло с минимальным содержанием диоксида железа, придающего обычному стеклу зеленоватый оттенок и снижающему светопропускание (причем в самой эффективной для фотоэлектрического преобразования части спектра солнечного света);
• антиотражающее (AR) покрытие — в основном базируется на диоксиде кремния (SiO₂), основного компонента стекла, имеет:
• микронеровности на поверхности, которые охотно заполняются разнотипной грязью, увлажняются при наличии тумана — главной причины инициирования коррозии поверхности стекла;
• низкую стойкость к действию щелочей — другого главного фактора возникновения поверхностной коррозии.
• Твердое, стойкое, неотслаивающееся и непригорающее полимерное покрытие ClearShield — основано на специальной полимерной композиции с высокой резистентностью ко влаге, щелочам и прочим факторам, вызывающим коррозию на поверхности стекла. Покрытие ClearShield создает пленку на поверхности стекла, которая невосприимчива к налипанию грязи всех типов и снега. Доказанная защитная способность поверхности стекла от коррозии — 30 лет в полевых условиях. Стекло может быть плоским, гнутым, согнутым в цилиндр. Стекло может быть ламинированным из соображений безопасности.

Покрытие ClearShield, разработанное в Ritec International Limited, Англия, работает со всеми типами стекла, включая стандартное флоат-стекло и маложелезистое стекло. Его применение восстанавливает первичную светопропускную способность стекла. На сегодня пока никто не применял покрытие ClearShield совместно с AR-покрытием, таким образом, оптимальные результаты для светопропускания получены совместным применением покрытия ClearShield на маложелезистом стекле.

Выводы и заключение

Говоря общо, все, что помогает восстановить светопропускание стекла, применяемого для наружной защиты фототермальных (тепловых) и фотоэлектрических (PV) панелей, положительно. И наоборот. Грязное стекло — наибольший фактор снижения выходной мощности.

Восстановление светопропускания до оригинальных значений — восстановление расчетной прибыльности и срока окупаемости энергетической установки. И это положительно влияет на всю цепочку создания прибавленной стоимости — производитель стекла, изготовитель панелей, дистрибьютор, конечный потребитель.

Солнечные панели нуждаются в защите от загрязнения и поверхностной коррозии, как никакое другое изделие из стекла. Долговременное стойкое покрытие недорого, его стоимость вскоре окупается или за счет повышения реального выхода энергии или за счет экономии на очистке стекла. Его преимущества трудно переоценить, когда речь идет об устранении коррозии поверхности.

Самый простой и малозатратный способ поддержания первоначальных характеристик светопропускания у солнечных панелей — стойкое, долговечное, не темнеющее, непригорающее полимерное покрытие с высокой очищаемостью.

Стефен Байерс (Stephen Byers), Ritec International Limited, Англия
По материалам доклада на Glass Performance Days, июнь 2011 г., Тампере, Финляндия