Płaska powierzchnia, światło słoneczne, przewody, falownik i generowanie prądu “ze światła” – tak w skrócie można opisać instalację słoneczną, która z zewnątrz wygląda jak jedna z najprostszych technologii energetycznych. W praktyce jednak każdy tradycyjny panel słoneczny jest małą, szczelnie zamkniętą “kanapką” wielu materiałów, które przez lata muszą znosić deszcz, mróz, upał, promieniowanie UV, naprężenia mechaniczne i różnice temperatur. Niestety jednak największe problemy z nimi zaczynają się tam, gdzie nie widać niczego gołym okiem. Dlatego nowe niemieckie badanie jest dla mnie takie ciekawe, bo naukowcy pokazali światu metodę, która pozwala zmierzyć katastrofalną dla panelu wilgoć, która znajduje się wewnątrz niego, a to wszystko bez jego rozbierania, rozłączania i niszczenia.
Wilgoć w panelu słonecznym jest dopiero początkiem łańcucha awarii
Panel fotowoltaiczny nie psuje się zazwyczaj w sposób widoczny na pierwszy rzut oka. Nie musi bowiem od razu pęknąć, spalić się albo przestać działać z dnia na dzień. Znacznie częściej jego problemy narastają powoli, przekładając się na niższą produkcję energii, gorsze parametry elektryczne, problemy z izolacją albo konieczność wymiany modułu, który teoretycznie ma pracować wiele dekad. Wilgoć jest w tym procesie szczególnie niewygodna, bo potrafi wejść w reakcję z innymi słabościami modułu. Zwłaszcza jej połączenie z mikropęknięciami, uszkodzonym tylnym laminatem, starzejącymi się polimerami, zanieczyszczeniami czy wysoką temperaturą zaczyna robić ogromne szkody pokroju postępującej korozji, pogorszającej się izolacji czy degradacji warstw hermetyzujących.
Czytaj też: Prąd kosztował mniej niż 0 złotych, a ludzie zarabiali. Wyjaśniam fenomen
Skąd to wiem? Z innych badań, bo o skali tego problemu dobrze przypominają wcześniejsze obserwacje dotyczące paneli pracujących przez ponad dwie dekady w wilgotnym, morskim klimacie. W takich warunkach woda opadowa i bryza morska przyspieszały korozję elementów metalowych, w tym połączeń lutowanych, a sam klimat okazywał się ważnym czynnikiem interpretacji wyników pracy instalacji. Temat wilgoci w fotowoltaice nie jest więc nowy, ale dotychczas często brakowało wygodnego sposobu, by zajrzeć do środka działającego modułu w prosty sposób. Zmienili to niemieccy badacze.
Niemiecki sposób może wskazać, który panel zaczął niedomagać
Zaproponowana właśnie nowa metoda ilościowego mierzenia wnikania wody do modułów fotowoltaicznych i próbek polimerowych skupia się na wykorzystaniu spektroskopii absorpcyjnej w bliskiej podczerwieni (NIRA). Kluczowe w tym podejściu jest jednak to, że NIRA nie działa samotnie, jako że jej sygnał został skalibrowany za pomocą miareczkowania Karla Fischera, czyli metody chemicznej pozwalającej określić bezwzględną zawartość wody.
W praktyce wygląda to tak, że najpierw badacze biorą materiały używane w panelach, wystawiają je na działanie wilgoci w kontrolowanych warunkach, mierzą ich sygnał w bliskiej podczerwieni, a następnie sprawdzają rzeczywistą ilość wody metodą chemiczną. Dzięki temu procesowi powstaje krzywa kalibracyjna. Dopiero później ręczny spektrometr NIRA może zostać użyty na module bez jego otwierania, bo wcześniejsza kalibracja pozwala przeliczyć sygnał optyczny na zawartość wilgoci.
Czytaj też: Panele słoneczne mogą być lepsze. Pokazali sposób na ulepszenie fotowoltaiki
Jest to o tyle ważne, że dotychczas inspekcja paneli w terenie opierała się głównie na metodach pośrednich, bo oględzinach, termowizji, elektroluminescencji, pomiarach elektrycznych, testach izolacji albo laboratoryjnej analizie próbek. Każda z tych metod jest przydatna, ale żadna nie zapewnia odpowiedzi na pytanie, ile wody faktycznie znajduje się w konkretnym miejscu zamkniętego modułu. Nowy sposób właśnie w ten punkt uderza, więc pozostaje najważniejsze pytanie – jak działa?
NIRA i miareczkowanie Karla Fischera podstawą nowej techniki
Sama spektroskopia NIRA wykorzystuje fakt, że woda silnie pochłania promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni. Problem polega na tym, że taki odczyt jest z natury względny. Można zobaczyć, że sygnał się zmienia, ale bez kalibracji trudno od razu powiedzieć, ile dokładnie wody znajduje się w materiale. Dlatego do gry wchodzi miareczkowanie Karla Fischera, które pozwala dokładnie określić zawartość wody w próbce.
Niemiecki zespół połączył więc dwie rzeczy, które osobno mają swoje ograniczenia. Metoda chemiczna daje punkt odniesienia, ale wymaga pracy na próbce. Spektroskopia NIRA jest szybka i niedestrukcyjna, ale potrzebuje kalibracji. Razem jednak tworzą narzędzie, które może działać tam, gdzie zwykła analiza laboratoryjna byłaby za droga, za wolna albo po prostu niemożliwa bez uszkodzenia badanego panelu. Gdyby tego było mało, badacze wzięli pod lupę materiały używane jako enkapsulanty, a w tym EVA, POE, TPO i TPU oraz różne warstwy tylne, między innymi PET, PP, PVDF i konstrukcje AAA, czyli poliamid-aluminium-poliamid. Woda nie porusza się w nich bowiem identycznie, a jeden uniwersalny odczyt bez osobnej kalibracji mógłby dawać fałszywe poczucie precyzji.
Czytaj też: Węgiel dostał drugie życie. Chiny podważają klasyczne spalanie czarnego złota
Jednym z praktycznych wniosków tego dodatkowego badania było porównanie minimodułów z tylnymi warstwami PET i PP. PET, czyli politereftalan etylenu, pochłaniał więcej wody niż PP, czyli polipropylen. Według badaczy różnica nie wynikała przede wszystkim z samego tempa dyfuzji, bo współczynniki dyfuzji obu materiałów były porównywalne. Ważniejsza okazała się niższa rozpuszczalność wody w PP, więc innymi słowy, woda niekoniecznie “przechodziła” przez jeden materiał radykalnie szybciej, ale jeden z nich mógł jej po prostu pomieścić mniej.
Wizualne wady przestają być tylko defektem wyłącznie wizualnym
Najważniejsza część badania dotyczyła weryfikacji modułów terenowych, czyli takich, które miały już za sobą pracę poza laboratorium. W modułach z pęknięciami warstwy tylnej i komórek badacze wykryli nawet o 50% wyższą zawartość wody, a to szczególnie w pobliżu pęknięć ogniw. Z kolei moduły z popękaną warstwą AAA absorbowały wodę nawet o rząd wielkości szybciej niż porównywalne moduły bez takich uszkodzeń. Właśnie w tej kwestii nowa metoda może całkowicie zmienić sposób prowadzenia inspekcji. Zamiast wymieniać panele na podstawie ogólnego wrażenia lub czekać, aż problem przełoży się na spadek produkcji, operator może wcześniej wskazać moduły z podwyższonym ryzykiem. Nie każdy defekt wizualny musi oznaczać natychmiastową katastrofę, ale jeśli za defektem idzie lokalnie podwyższona wilgotność, to sytuacja staje się znacznie poważniejsza.
To akurat badanie wpisuje się tym samym w powoli zyskujące na uwadze podejście do fotowoltaiki, które ostatnio zaobserwowałem. Skończyło się już bowiem “proste” założenie, wedle którego panele tanieją, sprawność rośnie, a wszystkie instalacje będą działać sobie w najlepsze przez dekady. Coraz ważniejsze staje się nie tylko to, ile watów ma moduł w dniu zakupu, ale jak będzie wyglądał jego stan po 7, 15 i 25 latach. Wprawdzie niemieckie analizy dużych zbiorów danych pokazywały, że panele mogą starzeć się łagodniej, niż zakładała część modeli, ale jednocześnie konkretna instalacja nadal może mieć pecha do klimatu, błędów montażowych, defektów materiałowych albo słabszego serwisu.
Nowa metoda niemieckiego zespołu wpisuje się właśnie w ten etap. Nie chodzi już o ekscytację samą produkcją energii ze słońca, tylko o zarządzanie starzejącą się infrastrukturą. Im bowiem więcej paneli pracuje na dachach, parkingach, farmach i wodzie, tym większe znaczenie ma diagnostyka, która pozwala odróżnić normalne starzenie od problemu wymagającego interwencji.
Źródła: CRIS, Fraunhofer
