砂の浸食による太陽光モジュールの寿命予測：革新的なアプローチを発表

2025年2月24日、太陽エネルギー研究の最前線から刺激的なニュースが飛び込んできました。アルジェリアの研究者グループが、砂地環境における太陽光モジュールの耐久性に関する研究で大きな進歩を遂げたのです。彼らは全く新しい試験台を設計し、風速と砂の密度という2つの重要な要素を考慮した独自の加速法則を策定しました。この革新的な手法を4つの太陽光発電（PV）モジュールに適用した結果は驚くべきもので、砂の影響を考慮すると最大47年の寿命が期待できることが示されました。

この研究は、製造、モジュール品質評価、汚染問題への対応、そして総合的な技術研究開発など、太陽光発電産業における複数の重要な分野にまたがっています。特に北アフリカのアルジェリアのような、砂漠地帯が広がり、太陽エネルギーの潜在能力は膨大であるものの、砂の浸食という課題を抱える地域にとって、これは大きな貢献となります。

アルジェリアの科学者たちは、太陽光発電モジュールに特化した革新的な加速劣化試験装置を提案し、砂の浸食による劣化に特化した、これまでにない加速法則を開発しました。責任著者のアブデルカデル・エルハラズ氏はpv magazineの取材に対し、「私たちの研究は既存のモデルとは一線を画しています。砂の浸食に特化した法則を導入しました。風速と砂の密度を考慮することで、砂漠環境におけるモジュールの寿命をはるかに高い精度で予測できるようになります」と述べています。

砂漠地帯では、砂による浸食がPVモジュールの信頼性に対する最も深刻な脅威の一つです。強風によって吹き飛ばされる砂粒がモジュール表面に継続的に衝突し、機械的および光学的な損傷を与えます。この損傷は様々な形で現れます。保護ガラス層の摩耗、反射防止コーティングの傷、埃やゴミの堆積などが挙げられます。これらの要因が相まって光透過率が低下し、最終的にはモジュール全体の出力が低下します。

特注のテストベッドは工学の驚異と言えるでしょう。研究者たちは、砂の浸食に影響を与えるパラメータを正確に制御することができます。砂の密度を調整できる砂供給機構、風速を調節する可変速ファン、そしてモジュールがあらゆる角度から砂にさらされるようにする回転ステージが備わっています。テストをより現実の砂漠の条件に近づけるため、砂漠化地帯の砂が使用されました。この種の砂は粒子が大きく不規則な形状をしており、浸食をより激しくします。

研究チームは、試験のために単結晶シリコンPVモジュール4枚を選択しました。そのうち2枚は新品の100ワットDinel Solaireモジュールで、残りの2枚は中古の80ワットViselモジュールでした。試験条件1では、モジュールは砂の密度5.8g/m³、風速12m/sにさらされました。試験条件2はさらに厳しく、砂の密度10.3g/m³、風速15m/sでした。研究者によると、条件1は「過酷な加速環境」を、条件2は「さらに過酷で加速的な環境」をシミュレートしたとのことです。

考案者にちなんで「エルカハラーズ・ブーセイドの法則」と名付けられたこの新しい加速法則は、風速と砂の密度を考慮に入れています。この法則は、平均故障時間（MTTF）を計算します。これは、特定の条件下でシステムが故障するまでの平均動作時間を示します。ファジー理論に基づくデータ分析プログラムと組み合わせることで、このモデルは加速係数（AF）を決定できます。AFは、加速試験条件と実世界のシナリオにおける劣化速度の比率を定量化する重要な指標です。

エルカハラズ教授は、「私たちは収集したデータを、アルジェリアのアドラールにある太陽光発電所の実際の風力データと相関させました。この包括的なデータセットを用いて、典型的な砂漠の運用条件下でのこれらのモジュールの実際の寿命を推定しました」と説明しました。

結果は非常に示唆に富むものでした。アルジェリアのアドラール地方において、彼らのモデルはファジー理論に基づくデータ分析プログラムと組み合わせることで、VISELモジュールの寿命がDINELモジュールの31.6年と比較して46.8年と大幅に長くなると予測しました。年間劣化率もこれらの結果を裏付け、VISELモジュールは0.64%、DINELモジュールは1.38%でした。これらの劣化率は既存の研究結果と一致しており、砂地の多い地域におけるモジュール寿命を正確に予測できる可能性を示唆しています。

この研究成果は、再生可能エネルギー誌「Renewable Energy」の「太陽光発電モジュールの砂食劣化に関する新たな加速法則」に掲載されました。アルジェリアのアフメド・ドライア大学（アドラール）、メデア大学、再生可能エネルギー開発センター（CDER）の科学者たちが協力して、この画期的な研究を行いました。