Myć moduły PV, czy nie myć? Oto jest pytanie

Im więcej będzie przybywać w naszym kraju instalacji PV, tym częściej inwestorzy będą drobiazgowo analizowali produktywność swoich inwestycji. Jednym z czynników środowiskowych oprócz zachmurzenia, czystości atmosfery czy śniegu, które wpływają na efektywność działania modułów PV wciągu roku jest nagromadzenie się na nich różnych zanieczyszczeń, tj. głównie cząsteczek kurzu lub brudu, które mogą znacznie zmniejszyć wydajność całego systemu PV. Straty te są trudne do przewidzenia i różnią się znacznie w zależności od regionu geograficznego analizowanej instalacji PV [1][2][3].

Przez wiele lat producenci przekonywali inwestorów, że jeżeli moduły PV pracują w „normalnych” warunkach atmosferycznych (częste opady), to ich mycie nie jest potrzebne ze względu np. na pokrycie powierzchni modułów warstwami samoczyszczącymi. Argumentowano ponadto, że czyszczenie modułów PV będzie powodowało ich mechaniczne usterki [5].

Ostatecznie coraz więcej doniesień i wyników badań wskazuje, że problem jest i zaczyna się to zagadnienie uwzględniać w raportach i statystykach [1][2][3][4][5][6].

Bardzo ostrożne i przybliżone szacunki wskazują, że zanieczyszczenie modułów PV zmniejszyło globalną produkcję energii elektrycznej z PV o co najmniej 3-4% w 2018 r., powodując globalne straty w dochodach o co najmniej 3-5 mld EURO. Globalne straty zanieczyszczeń mogą wzrosnąć do 4-7% rocznej produkcji energii, powodując straty ekonomiczne w wysokości nawet ponad 8 mld EURO do 2023 r. Będzie to wynikało ze zwiększenia wykorzystania fotowoltaiki w krajach w warunkach dużego nasłonecznienia oraz w regionach w których rejestruje się wysokie poziomy zabrudzenia modułów PV takich jak Chiny i Indie [7].

Standardowe wartości strat z powodu zabrudzenia zależą od rodzaju źródła zanieczyszczeń (rolnictwo, przemysł, transport). Na przykład oficjalne zalecenia NREL - National Renewable Energy Laboratory z USA sugerują typową utratę efektywności modułów PV przez zabrudzenie na poziomie 5%, ale zakres ten wg NREL może wynosić nawet od 2% do 25% całkowitej produkcji [13].

Ktoś powie, że przecież istnieją rozwiązania i technologie myjące lub czyszczące moduły PV. Kluczowe pytania dotyczą jednak tego, kiedy, w jaki sposób i w jakich przypadkach należy czyścić moduły PV [11].

Zabrudzenie modułów PV rzecz normalna

Wielu użytkowników instalacji PV potwierdza, że zanieczyszczenia modułów PV, takie jak kurz, pyłki, sadza, liście, mech, ptasie odchody, produkty spalania węgla, atmosfery słonej lub z amoniakiem itp., znacznie obniżają wydajność systemu fotowoltaicznego. Brud taki jest często trudny do zauważenia gołym okiem. Niestety, deszcz tylko częściowo usuwa tzw. „trudny brud”, dlatego coraz więcej producentów zauważa konieczność profesjonalnego czyszczenia modułów PV [2][3][4][5].

Wg przeprowadzonych analiz pracy systemów PV na świecie stopień zabrudzenia modułów PV różni się znacznie w zależności od regionu, w którym znajduje się system. Są dostępne publikacje, które wskazują nawet wzorce rozkładu intensywności zanieczyszczeń na modułach PV w różnych częściach świata. Stwierdzono m.in., że na Bliskim Wschodzie i w Afryce Północnej występują najgorsze strefy gromadzenia się pyłu na świecie dla modułów PV. Na rysunku poniżej przedstawiono intensywność zapylenia w różnych kolorach na całym świecie. Ciemniejsze kolory wskazują na wyższy wpływ poziom pyłów i zanieczyszczeń na efektywność pracy modułów PV. Jak widać Polska z racji emisji pyłów i dużej tzw. niskiej emisji została zakwalifikowana najgorzej wśród krajów EU [4].

Foto. Intensywność wpływu zapylenia na działanie modułów PV na całym świecie [4]

Wpływ stopnia zabrudzenia może zależeć od wielu czynników: wietrzność na analizowanym obszarze, stopień wilgotności, częstotliwość deszczy, sąsiedztwo pól uprawnych z roślinami pylącymi, sąsiedztwo przemysłu, sąsiedztwo intensywnego ruchu ulicznego, duża ilość domów wykorzystujących kominki, czy też liczba ptaków i wiele innych [4][7].

Pył i zanieczyszczenia na modułach nie gromadzą się od razu. Zanieczyszczenia osadzają się na modułach w miarę upływu czasu, w zakresie od 0,01% dziennie do 0,5% dziennie w miejscach o dużym zapyleniu. Oznacza to, że moduły PV należy okresowo myć, aby zapobiec nadmiernemu narastaniu brudu. Poniżej przedstawiono sugerowane wartości przyjmowanych start produkcji energii z PV w USA wg zaleceń instalatorów amerykańskich [9][13]:

1. 5% dla regionów o długich porach suchych;

• należy dodać 1-2%, jeśli w regionie występuje częste osadzanie się pyłu,

• należy dodać 1%, jeśli w pobliżu występuje duży ruch samochodowy,

• można odjąć 0,5%, jeśli system będzie myty latem,

2. 2% dla regionów z całorocznym deszczem.

Warunki amerykańskie nie są zbliżone do warunków europejskich zatem warto rzucić okiem na dane niemieckie. Na runku niemieckim mamy już kilka milionów mikroinstalacji PV. Część z nich jest monitorowana od kilkunastu lat. Przeprowadzono już w tym kraju szereg badań z zakresu wpływu zabrudzeń modułów PV na wysokość strat w produkcji energii. Doprowadziły one do uzyskania obiektywnych danych. Najczęściej podawany przedział zaniżania produkcji z powodu zabrudzeń modułów PV to od 6% do 8%. Czasem różnice są wyższe w zależności o indywidualnych właściwości środowiska (duże zapylenie, pora roku, kąt nachylenia modułów) [5][8].

Poniżej przykład przebiegu krzywej prądowo-napięciowej dla instalacji fotowoltaicznej przed umyciem paneli (kolor czerwony) i po ich umyciu (kolor zielony) [8].

Foto - Przebieg krzywej prądowo-napięciowej dla instalacji fotowoltaicznej przed umyciem paneli (kolor czerwony) i po ich umyciu (kolor zielony). Źródło: Labor für Photovoltaik [8]

Zasadniczo w każdym miejscu inwestycji należy się liczyć z większym lub mniejszym zanieczyszczeniem modułów. Na terenach rolniczych dużym problemem są pyły generowane z maszyn rolniczych podczas upraw oraz pylenia roślin. Emisje takie są bogate w substancje organiczne, a te z kolei łatwo przylegają do powierzchni modułów PV. Tego typu zabrudzenia nie zostaną usunięte przez deszcz, wręcz przeciwnie, z czasem będą coraz większe i trudniejsze do usunięcia, co może w krótkim czasie doprowadzić do strat 10% i więcej wydajności modułów. Same błędy instalacji w samym projektowaniu systemów PV również mogą powodować zwiększenie zabrudzenia modułów PV. Przykładowo moduły PV zamontowane pod bardzo małym kątem na dachu płaskim efektywniej ulegają zanieczyszczeniu, a ich wydajność przez to spada. Kąt nachylenia modułów ze względu na tzw. „samooczyszczanie”, często bywa za mały. Przy kilku stopniach nachylenia modułów PV na dachu płaskim deszcz nie usunie kurzu i zabrudzeń. Wg danych literaturowych opcja przynajmniej częściowego samooczyszczenia modułów PV pojawia się dopiero od 15 stopni nachylenia modułów PV [5][6][7][9].

Ważne jest, żeby zagwarantować dostępność do modułów danej instalacji PV, szczególnie w przypadku instalacji wielkopowierzchniowych. Zdarza się, że rzędy modułów są ulokowane w zbyt małych odległościach, co uniemożliwia użycie maszyn czyszczących i wszystko należy myć ręcznie, a to z kolei generuje duże koszty dla inwestora [5][6].

Technologie mycia modułów PV

Na pytanie kiedy myć moduły odpowiada firma firma Kipp & Zonen opracowała innowacyjny system DustIQ, do pomiaru zabrudzenia modułów PV, który może dokładnie mierzyć ilość zabrudzeń [11]. To jedno z kilku tego typu rozwiązań stosowanych na wielkopowierzchniowych instalacjach PV, gdzie strata produkcji może nas sporo kosztować. Rachunek ekonomiczny jest prosty: jeśli strata produkcji jest duża, większa od kosztów monitorowania zanieczyszczeń oraz usługi mycia modułów - po prostu te działania się realizuje [5][6][8][9].

Foto. System DustIQ - Źródło: Kipp & Zonen [11]

Kiedy już podejmujemy samodzielną (albo w oparciu o pomiar porównawczy: np. instalacja umyta i zabrudzona w tych samych warunkach) decyzję o myciu modułów PV i wyborze technologii będzie oczywiście uzależnione od wielkości instalacji PV. W przypadku mniejszych instalacji PV raczej będziemy korzystać z rozwiązań opartych o mycie ręczne. Dla dużych instalacji będziemy stosować systemy półautomatyczne. Dla farm PV stosuje się systemy automatyczne ze stacjonarnymi systemami robotów myjących. Przegląd dostępnych technologii przedstawiono poniżej.

Foto - Przykłady ręcznego mycia modułów PV w układzie na mokro i na sucho - źródło www.pv-magazine.com

Obecnie stosowane technologie obejmuje czyszczenie/mycie modułów PV na mokro bądź na sucho (duża dynamika rozwoju tych metod biorąc pod uwagę dostępność wody).

Foto - Półautomatyczne mycie modułów PV - rozwiązania montowane na pojazdach - źródło www.sunbrushmobil.com

Foto - Półautomatyczne mycie modułów PV - roboty przenośne czyszczące moduły PV na mokro i na sucho - źródło www.hycleaner.eu

Foto – Stacjonarne zrobotyzowane systemy mycia modułów PV na sucho bądź na mokro. - źródło www.pv-magazine.com

Foto – Stacjonarne systemy mycia modułów PV oparte o instalacje zraszające (zamknięte obiegi wody oparte o efektywne podsystemy oczyszczania wody) - źródło www.pv-magazine.com

Foto – Inteligentne systemy czyszczenia modułów PV oparte o drony - źródło www.window-cleaning-drones.com

Technologie mycia modułów PV dynamicznie się rozwijają. Zaczyna się stosować technologie z wykorzystaniem dronów, które spryskują moduły wodą osmozowaną [10].

Biorąc pod uwagę ograniczone zasoby wody eksperymentuje się z technologiami opartymi o sprężone powietrze, drgania modułów PV, zjawiska elektrostatyczne oraz czynniki chemiczne [2][3][4].

Analizy rynku PV wskazują, że wielkość rynku firm branży mycia czyszczenia modułów przekroczyła 560 mln USD w 2019 r. Szacuje się, że osiągnie wartość ponad 1 mld USD do 2026 r. [14].

Oczywiście najlepszym rozwiązaniem byłoby stosowanie modułów PV, których nie trzeba myć przez zastosowanie specjalnych powłok zapobiegających zabrudzeniom (tzw. powierzchnia ASC - Active Self-Cleaning Surface), nakładanych na przednią szybę modułów PV. Powłoki tego typu mają na celu zmniejszenie zabrudzeń i zapotrzebowania na czyszczenie. Idealnie byłoby, gdyby powłoki ASC były wysoce przezroczyste, antyrefleksyjne, trwałe, nietoksyczne, stosowane na skalę przemysłową, niedrogie i oczywiście samooczyszczające się. To oczywiście ideał i cel działań producentów modułów PV. Na obecnym etapie nie ma jeszcze w 100% zweryfikowanych tego typu rozwiązań. Są doniesienia o powłokach grafenowych, ale chyba jeszcze na takie w pełni „samooczyszczające się” moduły PV poczekamy [7].

Jak często i w jaki sposób myć moduły PV?

Jeśli mówimy o standardowych technologiach modułów PV generalnie zaleca się mycie modułów minimum raz w roku. Najlepiej wtedy, gdy zabrudzenia nie są jeszcze zbyt duże. Lepiej myć częściej i zapobiegać stratom. Instalacje na dużych powierzchniach często w długim okresie pokrywają się tzw. „trudnym brudem”. Szczególnie przy ramach modułów PV. W efekcie pyłki i nasiona traw i krzewów osiadają na modułach PV, tworząc klejącą się i trudną do usunięcia masę [5][6].

W zakresie techniki mycia i zaleceń należy przestrzegać kilku podstawowych wytycznych [4][6][9]:

• do mycia modułów stosować należy szczotki wykonane z miękkich materiałów, tak aby nie porysować szklanej powierzchni modułów PV lub uszkodzić anodowanej warstwy na aluminiowych ramach modułów,

• sprzęt myjący powinien posiadać atesty, tak aby w razie uszkodzenia instalacji, nie doszło do porażenia energią elektryczną,

• do mycia najlepiej wykorzystać czystą wodę, może to być deszczówka albo woda demineralizowana,

• nie należy stosować wody kranowej niefiltrowanej (zawierającą kamienie wapienne), która może pozostawić smugi na szybie modułu PV,

• nie należy stosować detergentów, które mogą uszkodzić warstwę antyrefleksyjną (ARC), którą pokryta jest szyba solarna lub rozszczelnić ramę modułu od ogniw fotowoltaicznych;

• należy stosować specjalne płyny dedykowane do mycia modułów PV,

• nie należy stosować urządzeń pracujących przy dużym ciśnieniu wody, ponieważ może dojść do powstania niewidocznych gołym okiem mikropęknięć na ogniwach,

• moduły PV najlepiej myć wczesnym rankiem zanim jeszcze się nagrzeją. W słoneczny dzień ich temperatura pracy to nawet 60-70 stopni C. Podczas polewania ich zimną wodą, dochodzi do naprężeń termicznych, co może spowodować ich uszkodzenie bądź przebarwienia,

• najlepszą porą na mycie modułów PV jest wiosna, tak aby przygotować instalację PV na sezon letni.

Bardzo ważnym tematem dotyczącym mycia instalacji fotowoltaicznych są zasady bezpieczeństwa, warunki wykonywania i inne aspekty techniczne związane z tym zagadnieniem. Musimy sobie zdawać sprawę, że instrukcja DTR wszystkich modułów PV zabraniają ich czyszczenia środkiem zawierającym kwas lub zasadę. Wyłączenie gwarancji na produkt opisano np. w dokumencie „Ograniczona gwarancja na moduły PV JA Solar”. Zapis podkreśla wręcz, że ograniczenie gwarancji nastąpi m.in. w wyniku: niewłaściwego użytkowania, złego użytkowania, zaniedbywania i inne. To powoduje, że warto przeanalizować wykorzystanie wyspecjalizowanej firmy [5][6][9].

Podsumowanie

Z omówionego materiału wynika jednoznacznie, że pomimo potocznego określenia tzw. bezobsługowego działania instalacji fotowoltaicznej należy dbać o jej czystość. W ten sposób zmaksymalizujemy produkcję energii elektrycznej oraz zadbamy o długotrwałość całego systemu. Dzięki myciu możemy uzyskać dodatkową ilość energii na poziomie od kilku do nawet kilkunastu procent w sytuacji silnego zabrudzenia [2][3][4][6][7].

Firmy w Polsce uzależniają cenę takich usług od wielu czynników. Ceny kształtują się różnie, w zależności od firm w danym regionie. Przeciętnie takie usługi wyceniane są na 8-20 zł za m kw. lub 10-25 zł za sztukę. Do ceny należy wliczyć koszt dojazdu [12].

Wpis niniejszy nie miał zamiaru wskazywać że „trzeba myć moduły i tyle”. Firmy myjące branży OZE muszą zarobić 😊. Zagadnienie zagwarantowania maksymalizacji produkcji energii elektrycznej z systemów PV będzie po prostu coraz ważniejsze.

Na pewno warto regularnie weryfikować samemu stan czystości swojej instalacji fotowoltaicznej, bo dzięki własnym działaniom oraz profesjonalnemu serwisom przez długie lata będziemy mogli efektywnie korzystać z fotowoltaiki.

Strategia mycia modułów będzie zależałą od wielkości instalacji PV. Dla małych instalacji PV korzystanie z firmy zewnętrznej do mycia modułów PV raczej nie będzie najczęściej uzasadnione ekonomicznie. Wskazane jest samodzielne działanie z wykorzystaniem sprzętu, który nam nie porysuje modułów PV. Ewidentnie nie należy stosować środków chemicznych jeśli się na tym nie znamy. Najlepsza będzie woda deszczowa albo woda demineralizowana. Zalecenie to może się zmienić jeśli nasz rynek będzie się dalej dynamicznie rozwijał. Efekt skali może spowodować spadek cen usług.

W przypadku dużych instalacji PV można skorzystać z usług firmy zewnętrznej po oszacowaniu straty (najlepiej profesjonalny audyt) z powodu zabrudzenia modułów PV. W przypadku ustalenia wartości start i przewadze tych start w układzie np. rocznym nad kosztami usługi mycia decydujemy się na profesjonalne działanie.

Źródła

1. Cordero R. R., Damiani A., Laroze D. et al.: Effects of soiling on photovoltaic (PV) modules in the Atacama Desert. Scientific Reports 8, 13943 (2018), https://doi.org/10.1038/s41598-018-32291-8

2. Pedersen H. et al.: Effect of Soiling on Photovoltaic Modules in Norway. Energy Procedia 92, (2016) 585-589, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.07.023

3. Sarver T., Al-Qaraghuli A., Kazmerski L: A comprehensive review of the impact of dust on the use of solar energy: History, investigations, results, literature, and mitigation approaches. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013, 698-733, https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.12.065

4. Maghami M. et al.: Power loss due to soiling on solar panel. Renewable and Sustainable Energy Reviews 59, (2016), https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.044

5. Pietruszko S.: Czy konieczne jest mycie modułów fotowoltaicznych? Magazyn fotowoltaika nr 4/2019, str. 26-27

6. Grabania M.: Czyszczenie paneli fotowoltaicznych. Magazyn fotowoltaika nr 1/2019, str. 22-23

7. Ilse K., Micheli L. et al.: Techno-Economic Assessment of Soiling Losses and Mitigation Strategies for Solar Power Generation. Joule, Volume 3, Issue 10, 2019, 2303-2321, www//doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.019.

8. Czermak K.: Konserwacja instalacji fotowoltaicznych Mycie modułów PV i zacienienie – zależności i efekty. Polski Instalator 5/2017, str. 38-43

9. www.aurorasolar.com/blog/understanding-pv-system-losses-part-3-soiling-snow-system-degradation - dostęp 10.04.2021r.

10. www.flyanddo.com/en/drone-services/solar-panels-cleaning - dostęp 10.04.2021r.

11. www.pv-magazine.com/2018/11/20/local-dust-calibration-for-the-dustiq-soiling-measurement-system - dostęp 10.04.2021r.

12. www.biznesalert.pl/mycie-paneli-fotowoltaicznych-mikroinstalacje-pv-moj-prad-oze-energetyka - dostęp 10.04.2021r.

13. www.nrel.gov - dostęp 10.04.2021r.

14. www.gminsights.com/industry-analysis/solar-panel-cleaning-market - dostęp 10.04.2021r.