پنل های خورشیدی برای تولید برق در یک دوره طولانی طراحی می‌شوند، اما آیا توان تولیدی آن‌ها در تمام این سال‌ها ثابت می‌ماند؟ واقعیت این است که افت راندمان پنل خورشیدی بخشی از چرخه طبیعی عمر ماژول است و عواملی مانند دمای بالا، گردوغبار، رطوبت، تابش فرابنفش، پدیده LID  و PID می‌توانند سرعت این افت را افزایش دهند.

البته هر کاهش تولیدی را نباید به فرسودگی پنل نسبت داد؛ گاهی یک لایه گردوغبار، سایه‌اندازی یا حتی نقص در یک اتصال الکتریکی عامل اصلی کاهش تولید است. شناخت این عوامل و تشخیص به‌موقع آن‌ها، نقش مهمی در حفظ عملکرد و بازده نیروگاه خورشیدی دارد. در این مقاله بررسی می‌کنیم افت عملکرد پنل خورشیدی چگونه اتفاق می‌افتد، میزان کاهش توان پنل خورشیدی معمولاً چقدر است و برای جلوگیری یا کاهش این افت چه اقداماتی می‌توان انجام داد.

افت راندمان پنل خورشیدی چیست؟

افت راندمان پنل خورشیدی به کاهش توان یا میزان تولید برق یک ماژول نسبت به عملکرد اولیه آن گفته می‌شود. این افت همیشه به معنی خرابی پنل نیست؛ بخشی از آن به‌صورت طبیعی و تدریجی در طول عمر ماژول اتفاق می‌افتد و بخشی دیگر می‌تواند نتیجه عواملی مانند آلودگی سطح، دمای بالا، سایه، رطوبت، ترک سلول، تلفاتPID  یا مشکلات الکتریکی باشد. بنابراین، تشخیص علت کاهش توان پنل خورشیدی قبل از هرگونه تعمیر یا تعویض اهمیت زیادی دارد.

در یک نیروگاه، افت راندمان پنل خورشیدی مستقیماً با کاهش انرژی تولیدشده و در نتیجه کاهش درآمد یا بازگشت سرمایه مرتبط است. بررسی‌های گسترده میدانی NREL نشان داده‌اند که نرخ افت سالانه ماژول‌های سیلیکونی بلوری در مطالعات مختلف معمولاً در محدوده چنددهم درصد قرار دارد و میانه‌ی داده‌های بررسی‌شده حدود ۰٫۲ تا ۰٫۴ درصد در سال بوده است. البته این عدد یک نرخ ثابت برای همه پنل‌ها نیست و فناوری، کیفیت ساخت، شرایط محیطی و نحوه بهره‌برداری بر آن اثر می‌گذارند.

تفاوت افت عملکرد پنل خورشیدی و کاهش موقت تولید

یکی از مهم‌ترین نکات در ارزیابی افت عملکرد پنل خورشیدی این است که هر کاهش تولیدی را نباید degradation  یا فرسودگی دائمی در نظر گرفت. برای مثال، افزایش دمای سلول در یک روز گرم می‌تواند توان خروجی را کاهش دهد، اما با کاهش دما این اثر تا حد زیادی برطرف می‌شود. به همین ترتیب، گردوغبار روی سطح پنل می‌تواند موجب افت راندمان پنل خورشیدی شود، در حالی که پس از تمیزکاری بخشی از این کاهش جبران می‌شود.

در مقابل، ترک سلول، خوردگی اتصالات، تخریب مواد کپسوله‌کننده یا برخی انواع degradation ناشی از PID می‌توانند به کاهش ماندگار عملکرد و خرابی پنل منجر شوند.

افت راندمان پنل خورشیدی را می­توان در دسته‌های مختلفی از جمله افت برگشت‌پذیر، افت برگشت‌ناپذیر و خرابی بررسی کرد؛ بنابراین تشخیص نوع افت، نخستین مرحله برای انتخاب راهکار مناسب است.

مهم‌ترین دلایل افت راندمان پنل خورشیدی چیست؟

علت کاهش توان پنل خورشیدی را نمی‌توان به یک عامل واحد نسبت داد. پنل در طول عمر خود به‌طور هم‌زمان تحت تأثیر نور، دما، رطوبت، چرخه‌های حرارتی، تنش مکانیکی، ولتاژ الکتریکی و آلودگی محیط قرار دارد. نوع فناوری سلول و مواد استفاده‌شده در ساخت ماژول نیز تعیین می‌کند که پنل در برابر هرکدام از این عوامل چه میزان مقاومت داشته باشد.

1. افزایش دمای پنل

دمای بالا یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش توان لحظه ای پنل است. شرایط استاندارد آزمایش پنل در دمای سلول ۲۵ درجه سانتی‌گراد تعریف می‌شود، اما دمای واقعی سلول در یک روز آفتابی می‌تواند بسیار بالاتر باشد. با افزایش دمای سلول، ولتاژ خروجی کاهش پیدا می‌کند و در نتیجه منجر به افت راندمان پنل خورشیدی می­شود.

این کاهش را باید از افت راندمان پنل خورشیدی ناشی از فرسودگی جدا کرد. یعنی ممکن است پنل در ظهر گرم تابستان توان کمتری تولید کند، بدون اینکه دچار degradation دائمی شده باشد. با این حال، قرارگیری طولانی‌مدت در دمای بالا و چرخه‌های مکرر گرم و سرد می‌تواند موجب فرسودگی مواد و اتصالات نیز شود.

2. گردوغبار و آلودگی سطح

ذرات گردوغبار، دوده، گرده گیاهان، فضولات پرندگان و آلودگی‌های صنعتی با کاهش نور ورودی به سلول‌ها، موجب افت راندمان پنل خورشیدی شده و تولید برق را کاهش می‌دهند. شدت این اثر به میزان و نوع آلودگی، بارندگی، زاویه نصب و شرایط محیطی بستگی دارد.

نکته مهم این است که افت عملکرد پنل خورشیدی به دلیل آلودگی سطحی لزوماً به معنای فرسودگی ماژول نیست. در بسیاری از موارد، پاکسازی صحیح و شستشوی پنل خورشیدی می‌تواند بخشی از تولید ازدست‌رفته را بازگرداند. به همین دلیل، اثر soiling باید در تحلیل عملکرد از degradation واقعی تفکیک شود؛ استانداردهای جهانی نیز در ارزیابی‌های عملکرد نیروگاه‌ها بر اهمیت جدا کردن اثر آلودگی از افت واقعی سیستم تأکید کرده­اند.

3. سایه و طراحی نامناسب آرایه

سایه ساختمان، درخت، تجهیزات اطراف یا حتی یک پنل دیگر می‌تواند تولید یک آرایه را کاهش دهد. شدت اثر سایه به محل آن روی ماژول، طراحی استرینگ، نوع اینورتر و استفاده از تجهیزات مدیریت توان بستگی دارد.

اگر کاهش تولید فقط در ساعات یا فصل خاصی مشاهده می‌شود، باید احتمال سایه را پیش از نسبت دادن آن به کاهش توان پنل خورشیدی، بررسی کرد. سایه‌ای که از زمان نصب وجود داشته، افت راندمان پنل خورشیدی محسوب نمی‌شود؛ اما ایجاد سایه جدید به‌دلیل رشد درخت یا ساخت‌وساز اطراف می‌تواند عملکرد سیستم را به‌مرور کاهش دهد.

4. تلفاتLID و  LeTID

LID و LeTID دو مکانیسم مهم تخریب در سلول‌های خورشیدی هستند که می‌توانند عملکرد واقعی ماژول را نسبت به شرایط اولیه آزمایشگاهی تغییر دهند.

LID عمدتاً به فعال‌شدن برخی نقص‌ها در اثر تابش مربوط می‌شود و در سلول‌های سیلیکونی خاص، به‌ویژه ساختارهای p-type بور-دوپ، سابقه شناخته‌شده‌ای دارد. در مقابل، LeTID پدیده‌ای پیچیده‌تر است که اثر هم‌زمان نور و دمای بالا را در بر می‌گیرد و نقش هیدروژن و نقص‌های ساختاری در آن اهمیت ویژه‌ای دارد.

فناوری ساخت سلول، نوع ویفر، مواد اولیه و فرآیند تولید در میزان این پدیده‌ها مؤثرند. در فناوری‌های جدیدتر، روش‌های ساخت و انتخاب مواد به‌گونه‌ای بهبود یافته‌اند که برخی از این مکانیسم‌های افت کاهش پیدا کنند.

5. PID یا افت ناشی از اختلاف پتانسیل

PID یکی از انواع تخصصی افت راندمان پنل خورشیدی است که با شرایط الکتریکی ماژول و سیستم ارتباط دارد. ولتاژ سیستم، رطوبت، دما، ساختار سلول، مواد کپسوله‌کننده، شیشه و نحوه اتصال به زمین می‌توانند در ایجاد یا تشدید آن نقش داشته باشند.

PID می‌تواند ویژگی‌های الکتریکی سلول را تغییر داده و توان خروجی را کاهش دهد. بنابراین اگر افت تولید قابل‌توجهی در بخشی از استرینگ مشاهده شود، بررسی PID در کنار سایر عوامل باید توسط متخصص انجام شود و صرفاً از روی کاهش تولید نمی‌توان وجود آن را قطعی دانست.

6. ترک‌های سلولی و Hot Spot

تنش‌های مکانیکی، حمل‌ونقل نامناسب، نصب غیراصولی، تگرگ و چرخه‌های حرارتی می‌توانند در ایجاد یا گسترش میکروکرک سلولی مؤثر باشند. همه میکروکرک ها بلافاصله به کاهش شدید تولید منجر نمی‌شوند، اما گسترش آنها و ترک‌هایی که مسیر جریان الکتریکی را مختل می‌کنند می‌توانند افت راندمان پنل خورشیدی را در پی داشته باشند.

در برخی شرایط نیز بخش آسیب‌دیده سلول می‌تواند دچارHot Spot  شود. این مسئله علاوه بر کاهش تولید، از نظر قابلیت اطمینان و ایمنی نیز اهمیت دارد.

دلایل افت راندمان پنل خورشیدی در زمان عدم استفاده چیست؟

ممکن است تصور شود پنلی که در انبار یا بسته‌بندی قرار دارد، هیچ‌گونه افتی را تجربه نمی‌کند؛ اما افت راندمان پنل خورشیدی در زمان عدم استفاده نیز در شرایط نامناسب نگهداری امکان‌پذیر است. البته نوع و شدت degradation  در این حالت با پنلی که سال‌ها در معرض نور و شرایط محیطی کار کرده یکسان نیست.

رطوبت، دمای نامناسب، تابش مستقیم خورشید در زمان انبارش، ورود آب، فشار مکانیکی، ضربه و شرایط نامناسب بسته‌بندی می‌توانند به ماژول آسیب وارد کنند. به‌ویژه اگر پنل‌ها برای مدت طولانی در محیط مرطوب یا بسیار گرم نگهداری شوند، مواد کپسوله‌کننده، Back Sheet، جعبه اتصال و سایر اجزا ممکن است تحت تنش قرار بگیرند.

بنابراین عدم استفاده از پنل به معنی توقف کامل فرآیندهای فرسایشی و جلوگیری از افت راندمان پنل خورشیدی نیست. برای جلوگیری از کاهش توان پنل خورشیدی پیش از نصب، باید شرایط انبارش مطابق دستورالعمل سازنده رعایت شود و پنل‌ها در معرض ضربه، فشار، رطوبت و شرایط محیطی نامناسب قرار نگیرند.

افت راندمان پنل خورشیدی در طول بهره‌برداری چقدر است؟

هیچ نرخ واحدی را نمی‌توان به عنوان میزان افت راندمان پنل خورشیدی برای تمام ماژول­ها تعیین کرد. نوع فناوری، کیفیت مواد، شرایط آب‌وهوایی، روش نصب و سابقه بهره‌برداری بر نرخ degradation اثر دارند. در یک مطالعه گسترده میانگین افت فناوری‌های سیلیکونی بلوری حدود ۰٫۲ تا ۰٫۴ درصد در سال گزارش شده است.

بنابراین، برای آگاهی از نرخ افت عملکرد و بازدهی پنل خورشیدی در طول زمان، لازم است مشخصات فنی و اطلاعات مربوط به نرخ تخریب آن در دیتاشیت رسمی همان پنل بررسی شود.

چگونه از افت راندمان پنل خورشیدی جلوگیری کنیم؟

پیشگیری از افت عملکرد پنل خورشیدی از زمان انتخاب ماژول آغاز می‌شود. انتخاب پنلی با مشخصات فنی مناسب، سابقه قابل‌قبول سازنده، گارانتی روشن و در دسترس و مقاومت مناسب در برابر شرایط محیطی می‌تواند ریسک افت زودهنگام را کاهش دهد.

پس از نصب نیز کیفیت اجرا و نگهداری اهمیت زیادی دارد. تهویه مناسب پشت پنل، جلوگیری از سایه‌اندازی جدید، بررسی دوره‌ای اتصالات، پایش عملکرد و شستشوی متناسب با شرایط محل می‌توانند از افت راندمان پنل خورشیدی و کاهش غیرضروری تولید جلوگیری کنند.

همچنین نباید برای تمیز کردن پنل از روش‌های نامناسب استفاده کرد. مواد شوینده قوی، ابزارهای زبر یا فشار مکانیکی بیش از حد می‌توانند به سطح یا اجزای ماژول آسیب برسانند. برنامه نگهداری باید متناسب با میزان گردوغبار، آلودگی صنعتی، بارندگی و شرایط محیطی سایت تعیین شود.