«Сложно предсказать, и еще сложнее разработать способы его уменьшения, потому что это сильно зависит от материалов и условий окружающей среды», — сказал Эрик Шиндельхольц, исследователь надежности материалов Национальной лаборатории Сандиа, который изучает коррозию и ее влияние на работу фотоэлектрических систем. .Исследователи Sandia из разных отделов совместно работают над ускорением коррозии в контролируемых условиях и используют полученные знания, чтобы помочь промышленности разработать долговечные фотоэлектрические панели и повысить надежность. Например, работа Ольги Лавровой из отдела интеграции фотоэлектрических и распределенных систем Sandia впервые продемонстрировала связь между коррозией и риском дугового замыкания в электрических соединениях фотоэлектрических систем. Исследования, проведенные Эриком Сперке из отдела электроники, оптики и наноматериалов Sandia, направлены на разработку новых нанокомпозитных пленок, которые могут значительно повысить надежность.
«Одна из наших основных целей — предсказать, насколько быстро будет происходить коррозия и какие повреждения она причинит с учетом определенных условий окружающей среды и материалов», — сказал Шиндельхольц. «Это, в свою очередь, дает нам информацию для выбора правильных материалов для проектирования или разработки материалов, устойчивых к коррозии для конкретных условий окружающей среды. Это также позволяет нам оценивать риски для здоровья и эксплуатации систем по мере их старения.
Это особенно важно для систем солнечной энергии, которые подвержены коррозии, но, как ожидается, прослужат десятилетия ».Коррозия — это немалая проблема.
Исследование, проведенное в 2002 году Национальной ассоциацией инженеров по коррозии при поддержке Федерального управления шоссейных дорог, показало, что коррозия металлов в различных отраслях промышленности, инфраструктуре и производстве обходится в 276 миллиардов долларов в год.Воспроизведение условий окружающей среды для изучения коррозии Исследователи упрощают сложные условия окружающей среды в лабораториях, чтобы изучить, как материалы корродируют. Нелегко решить, какие условия окружающей среды воспроизводить. «Вдоль побережья Флориды в воздухе витает влажность и морская соль.
В Альбукерке мы имеем сильное ультрафиолетовое (УФ) излучение, поэтому УФ может быть одним из важных параметров здесь. Параметры, влияющие на коррозию, зависят от местоположения и материалов», — сказал Шиндельхольц. «Задача состоит в том, чтобы определить важные параметры, а затем настроить ручки в лаборатории, чтобы получить что-то, что имитирует то, что мы видим на открытом воздухе».Sandia входит в новый консорциум, целью которого является ускорение разработки новых материалов для фотоэлектрических модулей, повышение надежности и снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой солнечной энергией.
Консорциум национальных лабораторий по материалам для долговечных модулей (DuraMat) хочет навести мосты между национальными лабораториями и промышленностью, чтобы исследования в лабораториях могли принести пользу сообществу PV. Важность DuraMat подчеркивается тем фактом, что на материалы приходится около 40 процентов общей стоимости фотоэлектрических модулей.
DuraMat, возглавляемая Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии в партнерстве с Sandia, Национальной лабораторией Лоуренса Беркли и Национальной ускорительной лабораторией SLAC, получит около 30 миллионов долларов в течение пяти лет от инициативы SunShot Министерства энергетики (DOE). Консорциум является частью сети Energy Materials Network, созданной Управлением энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США.Используя ускоренное старение, криминалистику, чтобы увидеть, что происходит, Лаврова возглавляет проекты по надежности фотоэлектрических систем, изучает, как старение влияет на солнечные элементы и компоненты и как все работает вместе.
Ее команда вместе со Шиндельхольцем работает над двумя проектами в рамках инициативы SunShot — национальной инициативы по обеспечению конкурентоспособности солнечной энергии по сравнению с другими видами электроэнергии к концу десятилетия. Она также способствует усилению прочности модуля под DuraMat.
В рамках одного проекта, осуществляемого в сотрудничестве с Исследовательским институтом электроэнергетики, изучаются фотоэлектрические модули от разных производителей, чтобы дать производителям информацию о том, какого рода деградацию они могут ожидать через 30 лет, чтобы помочь определить способы ее замедления. Sandia применяет принципы ускоренного старения для ускорения исследований медленно развивающихся эффектов, включая коррозию.Второй проект, совместно с Университетом Кейс Вестерн Резерв, изучает коррозию и другие виды деградации с точки зрения криминалистики — оглядываясь назад, чтобы увидеть, что уже произошло.
Команда Лавровой использует подход к анализу больших данных для изучения и анализа информации с существующих установок по всему миру. «Это 1 процент деградации в год или 2 процента? Может быть, мы увидим некоторые, которые составляют полпроцента, может быть, мы увидим некоторые, которые составляют 10 процентов. Это был плохой оригинальный продукт или он был установлен в Коста-Рике где влажность 80 процентов каждый день? " она сказала.
Команда Сперка хочет полностью предотвратить коррозию. В сотрудничестве с профессором Texas AM Хайме Грюнланом команда разрабатывает нанокомпозитные пленки из недорогих материалов в качестве барьеров против водяного пара и агрессивных газов. Команда надеется, что такие композитные материалы, которые примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса, улучшат способы защиты солнечных элементов от коррозии.
Неорганические компоненты и органические полимеры, из которых состоят тонкие пленки, должны быть разработаны и тщательно перемешаны. «Речь идет о правильной сборке этих структур, чтобы можно было использовать недорогие материалы и при этом получать желаемые преимущества», — сказал Сперк. «Если вы строите дом, это не просто сложение гипсокартона, плиток два на четыре и черепицы. Вы должны использовать два на четыре, чтобы сделать каркас, установить гипсокартон на два на четыре. и соберите черепицу на крыше ".Тонкие пленки — не единственный ответ, но «я могу представить себе, что технология, подобная той, которую мы разрабатываем, могла бы стать частью системы совместных материалов, чтобы помочь заменить стекло в фотоэлектрических приложениях следующего поколения», — сказал он.Системы, содержащие металл, подверженный коррозии.
Sandia изучала коррозию в течение десятилетий, анализируя проблемы во всех видах систем, потому что все, что содержит металл, восприимчиво. Электрические компоненты солнечных элементов защищены от коррозии за счет инкапсуляции полимеров, герметиков и стекла, но водяной пар и коррозионные газы могут проникать внутрь по мере разрушения материалов и упаковки. Например, материалы обычно корродируют быстрее при более высоких температурах и влажности в тропических прибрежных регионах, чем в прибрежной Антарктиде.
Исследователи ускоряют эти реальные условия в климатических камерах, чтобы изучить коррозию электроники и других компонентов фотоэлектрической системы. Ускоренные испытания искусственно ускоряют коррозионное воздействие температуры, влажности, загрязняющих веществ и соленой воды. Например, соль на обледенелых зимних дорогах или возле океанов со временем разъедает автомобили.
Поскольку производители автомобилей не могут ждать десятилетия, чтобы увидеть, насколько их продукты противостоят этому, ускоренные лабораторные испытания могут непрерывно распылять соль на поверхность для проверки покрытий и материалов корпуса, чтобы гарантировать, что они будут безопасными и надежными в течение всего срока службы продукта.Инженеры используют камеры коррозии для изучения различных материалов в системах, которые должны соответствовать определенным требованиям к коррозии, или для воздействия на электронный компонент окружающей среды, чтобы увидеть, что происходит с течением времени.
«Вместо того, чтобы ждать 30 лет работы на улице под солнцем, мы помещаем наши фотоэлектрические панели внутрь, чтобы подвергать их воздействию гораздо более высоких концентраций света, или помещаем их в тепловые камеры, чтобы имитировать эквивалент многолетних температурных циклов», — сказала Лаврова. По ее словам, эксперименты с ускорением продолжительности жизни показывают, что за шесть месяцев может произойти то, что может произойти через десятилетия.
Сандиа также изучает механизмы, лежащие в основе коррозии. «Это более сложная задача», — сказал Шиндельхольц. «При атмосферной коррозии у нас есть химический состав атмосферы, частицы, падающие на поверхности, относительная влажность, температура и так далее. Мы должны понимать взаимодействие этих факторов и их взаимодействие с поверхностью металла».