Управляющие крупными солнечными электростанциями по всему миру бьют тревогу. Появилось множество сообщений о случаях повреждения фотопанелей без видимых причин. Анализ ситуации по горячим следам показал, что в этом могут быть виноваты изменившиеся технологии производства панелей, что не в полной мере было учтено во время тестирования готовой продукции на производстве.

Источник изображения: PVEL

«Мы видели сообщения о разбитых без видимых причин стёклах [на панелях], поступающие из Бразилии, Чили, Австралии, США и других стран, — сказал Тристан Эрион-Лорико (Tristan Erion-Lorico), вице-президент по продажам и маркетингу лаборатории тестирования солнечного оборудования PVEL. — Это не зависело от региона, типа системы и производителя. Вот почему это так беспокоит».

Точной статистики повреждений панелей на проектах нет. По данным PVEL, речь идёт о сотнях МВт установленных мощностей. Некоторые случаи детально расследовались и даже были найдены объяснения повреждениям, в частности, доказан факт повреждения стеклянного покрытия слишком мощными роботизированными газонокосилками, которые швыряли камни в панели, но в большинстве случаев причины так и не были выявлены.

Отдельно операторы электростанций подчёркивают, что повреждённые фотопанели не подвергались воздействиям сильного ветра, дождя или града. Просто во время очередной инспекции вдруг обнаруживались новые трещины в стеклянном покрытии панелей, которых не было во время проведения предыдущих проверок.

Ранний анализ случаев растрескивания защитных стёкол фотопанелей показал, что во многих случаях прослеживается некоторая закономерность. Все они относятся к фотопанелям с двумя защитными стёклами — по одному на каждую сторону солнечного модуля. Ранее фотопанели закрывались только одним 3,2-мм защитным калёным стеклом с верхней стороны модуля, тогда как задняя часть модуля зашивалась пластиковой основой. Около 10 лет назад компании наладили выпуск фотопанелей с защитными стёклами с обеих сторон модуля, что должно было повысить их устойчивость к внешней среде и нагрузкам. Однако ради снижения массы модулей толщину защитных калёных стёкол пришлось уменьшить до 2 мм, что в конечном итоге увеличило вероятность их повреждения.

Нюанс в том, что панели с двумя стёклами проходят тестирование на соответствие отраслевым стандартам, но, конечно, не каждая из выпущенных панелей. Более того, стандарт разрешает смену поставщика защитного стекла без дополнительной сертификации. Для стекла толщиной 3,2 мм это не имело особого значения, но в случае более тонкого стекла, похоже, следовало быть разборчивее в выборе материалов.

Также специалисты отмечают, что технология закалки стекла даёт разное качество в зависимости от его толщины и присадок. Например, стекло должно быть относительно толстое, чтобы прогрев внутренней части был на заданном уровне. Для толстого стекла эти условия выдержать проще, чем для тонкого. В конечном итоге это вопрос затрат на изготовление. Если есть возможность сэкономить, то ею пользуются.

Наконец, снижение толщины стекла позволило облегчить каркас модулей, что увеличило нагрузку непосредственно на стекло. Это же касается используемых методов крепления (зажимов) фотопанелей к системам подстройки угла падения освещения и просто к стационарным стойкам. Производители панелей, со своей стороны, учитывают эти моменты (но не все), и выдают рекомендации по способам крепления и допустимым нагрузкам, но единой методики и стандарта нет. Поэтому в отрасли зреет необходимость пересмотра ряда стандартов, например, для тестирования панелей производителями и проведения новой сертификации.

В США проблему взялась решить Национальная лаборатория возобновляемой энергетики (NREL). Исследователи начали изучать случаи повреждений фотопанелей с анализа стёкол, их структуры, качества, химического состава и физических свойств. Задействовано специальное оборудование и прорабатываются научные методики, что обещает помочь с выработкой новых стандартов для проверки качества фотопанелей и их способности выдерживать механические нагрузки.

«Продукты меняются всё быстрее, и события опережать труднее, — сказала Ингрид Репинс, старший научный сотрудник группы надёжности фотоэлектрических систем NREL. — Эти треснувшие стёкла застали нас врасплох, хотя, я думаю, мы в какой-то степени знали, что в методиках тестирования были слабые места и пробелы. Теперь мы попытаемся понять первопричину и разработать тесты, чтобы подобное больше не повторилось. На данный момент у нас есть исследования, и у нас есть вопросы, но пока нет ответов».

Компания Ampace — дочернее предприятие Amperex Technology и CATL — на выставке RE+ в Лас-Вегасе представила аккумуляторную ячейку, выдерживающую 15 000 циклов заряда и разряда. Такие аккумуляторы смогут сопровождать солнечные системы выработки электричества в течение всего срока службы солнечных ферм — от 20 до 25 лет, что поможет снизить стоимость проектов и их сопровождения на 30 % и более.

Источник изображения: Ampace

Размеры ячейки Kunlun составляют 22,5 × 122,7 × 360,5 мм, а масса — около 1,8 кг. Её максимальная ёмкость достигает 100 А·ч, а номинальное напряжение — 3,2 В. Заявленный срок службы батареи достигает 20 лет или 15 000 циклов перезаряда. До 20 000 циклов батарея сохраняет около 80 % первоначальной ёмкости и более 70 % после 20 000 циклов заряда и разряда. Если характеристики батарей подтвердятся, то это в значительной степени изменит системы длительного хранения энергии и буферные накопители для получения электричества из возобновляемых источников.

«Ячейки с длительным циклом работы представляют значительную ценность для глобальных коммерческих и промышленных систем хранения энергии, а также систем хранения энергии в жилых домах, — заявила компания Ampace. — Они позволяют пользователям коммерческих и промышленных систем хранения энергии эффективно поддерживать работу фотоэлектрических систем и систем хранения энергии в одном темпе, а потребителям бытовой энергии — получить больше преимуществ в режиме выдачи пикового напряжения панелей, преодолевая традиционные ограничения по сроку службы аккумуляторов».

Компания Tesla согласилась выплатить более 6 млн долларов в рамках урегулирования коллективного иска, поданного клиентами, столкнувшимися с внезапным повышением цен на системы Solar Roof в 2021 году. Повышение цен привело к тому, что более 6300 человек расторгли свои контракты на установку солнечных панелей на кровлю с Tesla Energy.

Источник изображения: Tesla

Система Tesla Solar Roof ранее была известна как «солнечное стекло» (solarglass). Генеральный директор компании Илон Маск (Elon Musk) впервые представил эту систему в 2016 году как архитектурно привлекательную кровлю, которая генерирует энергию и выглядит так же хорошо, как черепица на доме без солнечных панелей. Позже выяснилось, что стеклянная солнечная черепица, которую он демонстрировал на презентации для акционеров, рассказывая о планируемом приобретении компанией Tesla компании SolarCity, оказалась бутафорией, а не рабочим прототипом.

Клиенты Tesla Solar Roof уже подписали контракты с компанией и готовились к установке систем в своих домах, как вдруг в 2021 году они были удивлены внезапным повышением цен, которое потребовало увеличения платежей для продолжения установки. В том же году компания Tesla повышала цены на свои солнечные установки как минимум дважды, а для клиентов, заказывающих солнечные панели или черепицу, обязательным условием стало приобретение домашней системы хранения энергии Powerwall.

Повышение цен не было незначительным. Главный истец по групповому иску Мэтью Аманс (Matthew Amans) обнаружил, что цена его солнечной крыши выросла с примерно 72 000 долларов по первоначальному контракту до 146 000. По состоянию на конец июня 2023 года, внезапное изменение стоимости системы привело к расторжению контрактов на установку солнечных крыш с Tesla Energy более чем 6300 клиентами.

К началу 2023 года компания Tesla установила в США всего 3000 своих систем Solar Roof с момента презентации технологии за семь лет до этого. К первому кварталу 2023 года общий объём развёрнутых солнечных установок Tesla составил 67 МВт, что соответствует 40 % росту за год. В то же время рост продаж систем хранения энергии Tesla в первом квартале 2023 года составил 360 % по сравнению с предыдущим годом, что свидетельствует о том, что доходы энергетического подразделения Tesla в большей степени зависят от резервных батарей для домашних и коммунальных систем, чем от солнечных установок.

Бортинженеры 68 экспедиции на МКС Фрэнк Рубио (Frank Rubio) и Джош Кассада (Josh Cassada) во время 7-часового выхода в открытый космос развернули четвертую солнечную батарею iROSA для увеличения энергоснабжения станции.

Источник изображений: nasa.gov

Выход в открытый космос Рубио и Кассада начали вчера в 13:19 по Гринвичу (16:19 мск): они покинули шлюз US Quest и приступили к работе. Кассада установил опору для ног на корпусе роботизированного манипулятора Canadarm2, а Рубио подготовил кабели для последующего подключения и связки нового источника питания с силовым каналом 4A на МКС. Далее бортинженеры совместно сняли iROSA с платформы, на которой массив солнечных батарей был запущен — он прибыл на МКС 27 ноября на грузовом корабле SpaceX CRS-26 Dragon.

Когда Рубио снял последний болт, удерживавший батарею на платформе, Кассада принял её, чтобы перенести к месту установки — параллельно астронавт NASA Николь Манн (Nicole Mann) работала с манипулятором Canadarm2, а астронавт японского JAXA Коити Ваката (Koichi Wakata) координировал действия коллег. Несмотря на невесомость в условиях микрогравитации, объект массой 340 кг при движении обладал значительной инерцией.

Далее Рубио и Кассада развернули iROSA и закрепили батарею на кронштейне, который был установлен во время одного из предыдущих выходов в открытый космос. При помощи электроинструмента, разработанного специально для работы в этих условиях, Рубио затянул четыре болта с правой и левой сторон iROSA, чтобы удерживать панель в открытом состоянии.

Дождавшись, когда МКС перейдёт в «затмение», то есть окажется в тени Земли, и крылья батареи точно не будут вырабатывать электричество, астронавты подключили iROSA к силовому каналу 4A. Далее они сняли два болта, высвободив запасённую стрелами из углеродного композита потенциальную энергию, и панель самостоятельно развернулась на полную длину в 19 метров. Затем Кассада затянул два болта для придания жёсткости массиву, и установка была завершена. Предполагается, что после установки всех шести панелей iROSA электроснабжение МКС вырастет на 20–30 %.

В конце операции Кассада и Рубио произвели чистку и инвентаризацию своих инструментов и завершили выход в открытый космос в 20:27 по Гринвичу (23:27 мск), то есть через 7 часов и 8 минут. Весь комплекс работ первоначально планировали выполнить на день раньше, но его пришлось отложить из-за необходимости произвести манёвр уклонения от космического мусора — фрагмента российского разгонного блока «Фрегат-СБ».

В прошлом году американские учёные опубликовали технико-экономическое обоснование преимуществ возведения солнечных панелей над водными каналами. Теперь же стало известно, что в Калифорнии реализуется пилотный проект Nexus, в рамках которого над двумя пролётами каналов в Турлокском ирригационном округе для сбора энергии разместят солнечные панели.

Источник изображения: electrek.co

Согласно имеющимся данным, власти Калифорнии выделили $20 млн на реализацию проекта Nexus. Возведение новых энергетических мощностей над каналами планируется начать в октябре этого года. Солнечные панели появятся над 150-метровым пролётом канала в Хикмане. Аналогичным образом панели разместят над 1,6-километровым пролётом канала в другой части штата.

«Если это сработает на первых двух милях проекта Nexus, которые мы реализуем сейчас, потенциально это может распространиться на множество мест», — считает Джош Ваймер (Josh Weimer), менеджер компании Turlock Water & Power.

Протяжённость калифорнийских каналов составляет около 6,5 тыс. км. Если они все будут покрыты солнечными панелями, это позволит вырабатывать 13 гигаватт возобновляемой энергии. Отмечается, что 1 гигаватта достаточно для питания 750 тыс. домохозяйств. Таким образом, энергией может быть обеспечено примерно 9,75 млн семей. По состоянию на июль 2021 года в Калифорнии насчитывалось 13,1 млн домохозяйств.

Международная группа исследователей разработала технологию массового производства цветных солнечных панелей. Учёные считают, что традиционные панели чёрного цвета малопривлекательны для владельцев домов и архитекторов. Цветные панели внесут краски в окружающий городской пейзаж и сделают технологию фотовольтаики приятной глазу, что поможет её распространению.

Источник изображения: ACS Nano 2022

Обычные фотоэлектрические панели имеют чёрный цвет, что продиктовано принципами работы фотоэлектрических ячеек — они должны поглощать фотоны, а не рассеивать их. Казалось бы, на этом на цветных солнечных панелях можно ставить крест, ведь в случае цветных панелей часть солнечного света с длинами волн её цвета будет рассеиваться, снижая КПД панелей. Спасти положение может отражение очень узкого спектра, чего можно добиться не краской, а меняя структуру самой поверхности панели.

Поверхности панели можно придать структуру, подобную крыльям бабочки, когда неровности микронного размера отражают свет в узком спектре без потери в яркости. Необходимо лишь разработать технологию массового производства структурированной поверхности на светочувствительных панелях, чтобы технология была экономически оправданной. Учёные такую технологию придумали, пожертвовав лишь 1,1 % КПД панелей. Предложенные исследователями цветные солнечные панели вырабатывают электричество с эффективностью 21,5 % и остаются привлекательными для глаза: с зелеными, синими и фиолетовыми оттенками.

Учёные напылили тонкий слой так называемого фотонного стекла на поверхность обычных солнечных панелей. Напыление представляло собой тонкий слой из неупорядоченных субмикронного размера шариков сульфида цинка. Такой слой в основном пропускает падающий на него свет к панелям, но часть спектра в зависимости от диаметра шариков отражалась, придавая панелям тот или иной оттенок.

На следующем этапе учёные планируют изучить вопрос, как сделать цвета более насыщенными, а также надеются разработать технологии для достижения более широкого спектра цветов.

Исследователи Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США (NREL) сообщили о создании инновационных солнечных элементов питания с рекордным КПД — почти 40 % при нормальном освещении. Для сравнения, КПД обычных фотоэлементов составляет от 15 до 30 %.

Источник изображения: NREL

Примечательно, что показатель 39,5 % достигнут при освещении, которое в целом эквивалентно естественному солнечному. Данное уточнение имеет значение, поскольку в ходе экспериментов учёным часто удаётся добиться КПД до 47 %, но только под «концентрированным» светом, что мало соответствует естественным земным условиям.

Добиться такого результата удалось благодаря особой конструкции элементов, известной, как инвертированное метаморфическое соединение (IMM). Оно предусматривает использование трёх слоёв солнечных ячеек, каждый из которых выполнен из материала другого типа. В частности, речь идёт о верхнем слое из фосфида индия-галлия, среднего из арсенида галлия и нижнего из арсенида индия-галлия. Каждый слой захватывает свет с разными длинами волн, что позволяет получать больше энергии, используя значительную часть солнечного спектра.

Помимо этого панели используют так называемые «квантовые ямы», ограничивающие движение электронов не тремя, а двумя измерениями. Утверждается, что слой с такими ямами также позволяет захватывать больше света и ведёт к большей энергоотдаче.

Прежний рекорд КПД для солнечных панелей поставила та же команда, добившись в 2020 году показателя 39,2 % — речь идёт о борьбе за каждую долю процента. Уже проводилось тестирование, демонстрирующее поведение новых элементов в условиях космоса. В этом случае КПД составлял 34,2 %.

Научный прорыв может быть крайне важен для технологий солнечных элементов питания. Тем не менее разработчики подчёркивают, что производство этого типа ячеек довольно дорого и о массовом выпуске речь пока не идёт, до этого предстоит ещё немало работы над снижением себестоимости элементов.