ソーラーパネルの劣化: 劣化とは何ですか? なぜ気にする必要があるのですか?

太陽光発電 (PV) 技術は、長年にわたり熱心に研究開発されてきました。 業界のほとんどの太陽光発電モジュールの標準寿命は 25 年ですが、Maxeon Solar などの太陽光発電業界の大手企業の一部は、40 年以上持続し、40 年間の保証が適用されるソーラー パネルを作成するためにこの技術を開発しました。

太陽電池モジュールの寿命限界を理解するには、ソーラーパネルの劣化の概念を理解する必要があります 。 これは、太陽電池モジュールの寿命に影響を与え、太陽電池モジュールの破損を引き起こす主な現象です。 この記事では、これについて知っておくべきことをすべて説明し、ソーラーパネルの劣化を軽減する方法のヒントを提供します。

目次

ソーラーパネルの劣化は、PV モジュールが年々劣化し効率が低下する一連のメカニズムで構成されています。エージングは太陽光パネルの劣化に影響を与える主な要因であり、腐食や層間剥離を引き起こす可能性があり、太陽光発電材料の特性にも影響を与えます。

PV モジュールに影響を与えるその他の劣化メカニズムには次のものがあります。光誘起劣化 (LID)、電位誘起劣化 (PID)、屋外暴露、および環境要因 。 ソーラーパネルの劣化を判断するために使用されるツールや技術はいくつかあります。これらには、目視検査、赤外線サーモグラフィー、エレクトロルミネッセンス (EL)、性能校正などが含まれます。

ソーラーパネルの劣化は経年劣化によって引き起こされ、大規模な太陽光発電設備に影響を与えるだけでなく、世界中のすべての屋上太陽光発電設備に影響を及ぼします。 これが、屋上太陽光発電システムを備えた住宅所有者や、送電網から太陽エネルギーを消費している家庭にとって懸念される理由です。

理想的な条件を備え、よくメンテナンスされた太陽光発電システムを考慮すると、ソーラー パネルの適切な劣化率は年間 0.5% と推定されます。 ただし、太陽光パネルの劣化速度は到達できる極端な場合には、年間 1.4% または 1.54% に達することもあります。

この情報は、信頼できる企業が製造した高品質の PV モジュールを設置し、太陽電池アレイのメンテナンスを実行することの重要性を強調しています。 あらゆる予防策を講じることで、太陽光パネルの劣化率を最小限に抑え、太陽光発電システムの寿命を長くすることができます。

年間劣化率が 0.5% のソーラー パネル (たとえば、図 1 の Hanwha QCells 400W ソーラー パネル) は、寿命の終わりには初年度の出力の 87% 近くになる可能性があります。 一方、過酷な環境条件下で設置された低品質の太陽光パネルは、年間 1% の劣化率があり、出力が初年度の約 75% にまで低下する可能性があります。 サンパワーのような最高品質のメーカーは、劣化率を 0.25% まで下げることに成功し、業界で最大のパフォーマンスを長期間にわたって提供しています。

太陽光パネルの劣化は、単一の単独の現象によって引き起こされるのではなく、PV モジュールに影響を与える複数の劣化メカニズムによって引き起こされますが、主な原因は経年劣化です。 ソーラーパネル劣化のその他の原因としては、特に、経年劣化、光誘起劣化 (LID)、電位誘起劣化 (PID)、バックシートの故障などが挙げられます。 それらをさらに詳しく分析してみましょう。

経年劣化は、長年の動作を通じて PV モジュールに影響を与える主な劣化メカニズムです。 この劣化メカニズムは、モジュールが降雨、降雪、極端な温度、ひょう、塵、その他の外部要因に長年さらされたことの直接的な結果です。

PV モジュールが前述の外部要因にさらされると、時間の経過とともに劣化が始まり、効率が低下します。 これは、太陽光パネルのフレームの腐食、ガラスやバックシートの剥離、PV 材料の特性の喪失によって発生し、これらすべてが PV モジュールの年間平均 0.5% の劣化を引き起こします。

光誘起劣化 (LID) は、ソーラー パネルの劣化速度の加速を引き起こす現象であり、主に稼働初年度にモジュールに影響を与えます。 これは、太陽光が PV 材料のドープに使用されるホウ素と酸素の間の酸化プロセスを加速した結果です。

これらの欠陥は、単結晶シリコン (モノ c-Si) の成長に使用されるチョクラルスキー プロセス中に酸素が溶融シリコンと結合するときに自然に発生します。 太陽電池のドープに使用されるホウ素は酸素と結合し、電子と正孔のペアのトラップとして機能し、発電プロセスに影響を与えます。

LID によって引き起こされるソーラーパネルの劣化は、単結晶シリコンで製造されたモジュール、特に p 型ウェハモジュールに大きな影響を与えます。 LID 効果も PERC モジュールでより高くなります。

電位誘起劣化 (PID) は、PV モジュールに影響を与え、効率を低下させるもう 1 つの劣化メカニズムです。 LID とは異なり、PID は特定のタイプの PV モジュールに大きな影響を与えませんが、モノ c-Si、多結晶シリコン (ポリ c-Si)、および薄膜 PV モジュールには同様に影響を与えます。

大規模な太陽光発電設備では、ストリングごとに高電圧がかかるため、セルとフレームの間に電位差が生じ、漏れ電流が発生し、電力損失が発生します。

PID の理解はまだ不完全であり、さらなる研究が必要ですが、1,500 V を超える電圧を特徴とする非接地型 PV システムでは高い電力損失が発生することが知られています。 これは、大規模な事業規模の商用 PV システムに関連しています。

バックシートの破損も劣化の原因の 1 つであり、早期劣化の主な原因です。 PV モジュールの 9% ～ 16% にバックシートの故障が発生していることが判明しています。 PV モジュールのバックシートは、湿気、風、塵、紫外線 (UV) 光などの外部要因から内部コンポーネントを隔離して保護する最初の防御線であるため、これは懸念事項です。

バックシートの破損によるソーラーパネルの劣化の主な原因は、バックシートの剥離や材料の亀裂の形成です。 バックシートが破損すると、ソーラーパネルの内部コンポーネントが外部要因にさらされ、PV モジュールの寿命が短くなります。

ソーラーパネルの劣化速度が異なるのと同様に、ソーラーパネルの劣化を加速または軽減する要因があります。 これらには、PV モジュールの製造に使用される材料、組み立てプロセス、設置プロセス、メンテナンス方法、さらには天候も含まれます。

ソーラーパネルの加速劣化に該当するほとんどの PV モジュールは、LID、PID、およびバックシートの故障が原因で発生します。 これらの劣化メカニズムは部分的には材料の欠陥によって引き起こされるため、より優れた高品質の材料を使用した PV モジュールは劣化速度が遅いと結論付けることができます。

追加の材料と技術を使用すると、腐食を遅らせ、ソーラーパネルの劣化を軽減できます。 太陽光パネルシステムは劣化した状態でも少なくとも 40 年間は使用できることが証明されていますが、太陽光発電業界の一部の画期的な企業は技術を改良し、30 年および 40 年の PV 保証を提供しています。

PV モジュールには高品質の材料が使用されていますが、最高の性能を確保するには最も厳格な製造プロセスが必要です。

製造技術の改善により、太陽電池パネルの劣化が軽減され、太陽電池モジュールの寿命が延びる可能性があります。 米国エネルギー省太陽エネルギー技術局は現在、PV モジュールの寿命を最大 50 年以上に延長できる技術を開発する研究チームに資金を提供しています。

設置中にソーラーパネルを輸送したり扱ったりする際、モジュールは機械的ストレスにさらされます。 この応力は、バックシートの破損によりソーラーパネルの劣化を引き起こし、部分的な電力損失を引き起こしたり、PV モジュールのコンポーネントを損傷したりする可能性があります。

バックシートの亀裂によるソーラーパネルの劣化を軽減し、PV モジュールの寿命を延ばすために、認定専門家がモジュールを適切に取り扱い、設置することをお勧めします。 これは、より繊細な薄膜ソーラーパネルを扱う場合に特に重要です。

定期的なメンテナンスは、大規模および小規模の用途においてソーラーパネルの劣化を軽減するために使用される重要な戦略です。 予測保守および予防保守は、汚れや塵による劣化を軽減することで PV システムの運用寿命を延ばし、その結果、太陽電池アレイの性能を向上させることができます。

メンテナンスを実行する頻度は、ほこり、雪、落ち葉、その他の気象条件の存在を考慮して異なる場合があります。 エリア内の鳥の数 (鳥の落下に関連する) によっても、必要なメンテナンスの頻度が増加する可能性があります。

気象現象は制御できる変数ではありませんが、太陽光発電モジュールを設置したり、太陽光パネルのさらなる劣化を避けるためにメンテナンスを実行したりするときに考慮することができます。 大規模な太陽光発電システムの設置前の分析では、その場所と過去の自然災害に関する専用の調査を考慮し、その場所が設置に適していることを確認する必要があります。

異常気象現象に備える際に選択できる重要な選択は、より優れた機械的特性を備えた PV モジュールを選択することです。 これには、より優れた侵入保護 (IP) 指数、より硬いフレーム評価、より高い耐衝撃性を備えたガラスなどが含まれる場合があります。 たとえば、SunPower PV モジュールは、Q-Cells ソーラー パネルと比較して、高速風に対してより脆弱です。

ソーラーパネルの寿命には限りがあることを考慮すると、グリッドの運用、EV 充電ステーション、その他の用途にリサイクルして再利用できることに留意することが重要です。 さらに良いニュースは、研究者たちが現在、太陽電池モジュールの寿命を延ばし、太陽電池パネルのさらなる劣化を軽減する技術の開発に取り組んでいることです。

現在行われている研究では、エレクトロルミネッセンス写真と機械学習に依存して耐久性を向上させ、監視および制御システムを実装することで実証済みの結果をもたらした太陽光発電設置の寿命と性能を向上させることが検討されています。 さらに、水を使用して太陽電池モジュールの温度を下げる冷却技術を導入することも、太陽電池パネルの寿命を延ばすのに効果的であることが証明されています。

多くの場合、太陽光発電の提案では初年度のシミュレーションが考慮されており、このエネルギー性能が長期にわたって維持されないにもかかわらず維持されるという誤解を与える可能性があります。 このため、劣化率の低いソーラーパネルを選択することが重要です。設置初年度に可能な限り近いパフォーマンスを長期間にわたって維持する 。 ほとんどのソーラーパネルメーカーは、自社製品の性能保証を示す指標を組み込んでおり、サンパワーやハンファQセルのモジュールと同様の劣化率を持つ高品質の太陽光発電モジュールを選択することで、太陽光発電システムが従来の太陽光発電システムよりも確実に経年劣化に耐えることができます。それは長期的にはより良い結果をもたらすでしょう。

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