К сожалению, солнечные панели не вечны. Ультрафиолетовые лучи, порывы ветра и сильные дожди влияют на них в течение всего срока их эксплуатации. Производители обычно предоставляют гарантию на 25 лет. Но часто падение производства электроэнергии отмечается через 10 лет. В некоторых моделях трескались задние панели - слои пластика, которые изолируют и защищают солнечные панели с обратной стороны.
На задних панелях солнечных батарей часто образуются трещины между солнечными элементами.
Преждевременное растрескивание в значительной степени объясняется широким использованием некоторых видов пластика, например, полиамида. Но причина такой быстрой деградации остается неясной. Внимательно изучив треснувшие задние стенки из полиамида, исследователи Национального института стандартов и технологий (NIST) выяснили, как взаимодействие пластика, факторов окружающей среды и архитектуры солнечных батарей может ускорить процесс деградации.
Их выводы помогут для разработки тестов на прочность и долговечность солнечных панелей.
Трещины на задних листах появляются в первую очередь рядом с сетчатым пространством, между синими или черными солнечными элементами, вырабатывающими электричество, и затем распространяются по всей толщине листа.
Через эти дефекты затем кислород и влага проникают и повреждают внутренние элементы. После чего эти места начинают пропускать электрический ток, увеличивая риск поражения электричеством.
Любой пластик разрушается через какое-то время, но некоторые виды пластика разрушаются гораздо быстрее, чем другие.
«В период с 2010 по 2012 годы было развернуто много модулей, обратные листы которых были сделаны на основе полиамида и разрушались всего за четыре года, несмотря на соответствие стандартным требованиям», - сказал Сяохун Гу, инженер NIST и соавтор исследования.
Несмотря на то, что влага и вода попадают на всю наружную поверхность батареи, листы быстрее растрескиваются в месте соединения солнечных элементов, через которое проникает солнечный свет. Исследователи NIST предполагают, что деградация там идет быстрее, потому что уксусная кислота, которая образуется при попадании солнечного света на верхние слои резины, попадает между солнечными элементами в направлении задних слоев, вызывая их распад изнутри.
Чтобы выяснить причину деградации полиамида, ученые получили образцы листов задней панели солнечных батарей, развернутых по всему миру, в том числе в США, Китае, Таиланде и Италии. Большинство панелей использовались от трех до шести лет и имели явные признаки преждевременного растрескивания.
С обветренными задними листами был проведен целый комплекс химических и механических испытаний с целью изучения закономерностей и степени деградации по всей их глубине.
Результаты показали, что участки листов, подвергшиеся наибольшему повреждению, стали наиболее жесткими. И, что любопытно, самые хрупкие участки были обнаружены на внутренней стороне листов.
Как внутренняя поверхность может ухудшаться быстрее, чем внешний наружный слой? Возможно, солнечный свет вызывает деградацию верхней стороны инкапсулянта - пленки, которая окружает солнечные элементы, что приводит к образованию химических веществ, которые проникают в задние слои, ускоряя их разрушение. Если это так, то предлагаемый механизм объясняет, почему между солнечными элементами образуются трещины, поскольку химические вещества могут проникать на обратную сторону через эти области.
Уксусная кислота - «основной подозреваемый», так как она вредна для полиамида и образуется при разложении полимера, обычно используемого в качестве инкапсулянта - этиленвинилацетата (EVA, ЭВА). Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи положили несколько полосок полиамида во флаконы с уксусной кислотой, а через пять месяцев, сравнили их с полосками, находящимися в воздухе или воде.
Под микроскопом на поверхности пластиковых полосок, подвергшихся воздействию уксусной кислоты, появились трещины, зеркально отражались трещины от обветренных задних панелей, которые выглядели гораздо хуже, чем те, которые находились в воздухе или воде. Химический анализ показал, что продукты разложения полиамида были выше в полосках, подвергшихся воздействию уксусной кислоты, что является дополнительным доказательством того, что кислота ускоряет разрушение материала заднего листа.
В исследовании подчеркивается взаимосвязь между компонентами солнечных батарей (в данном случае инкапсулятором EVA и полиамидной задней стенкой) в качестве потенциально критического фактора, который следует учитывать при разработке солнечных панелей, рассчитанных на длительный период эксплуатации.
Информация о причинах преждевременных сбоях представляет ценность для NIST и других специалистов, которые стремятся воспроизвести процесс деградации в лаборатории для проверки и прогнозирования долговечности компонентов солнечных батарей.