歐洲現(xiàn)存已知的最古老的光伏電站，位于瑞士南部的提契諾州，這個安裝在瑞士應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)實驗室屋頂?shù)?0KW發(fā)電系統(tǒng)，簡稱TISO‐10，自從并網(wǎng)以來幾乎不間斷運行了40年。
瑞士聯(lián)邦能源辦公室(SFOE)邀請瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的兩位科學(xué)家Alessandro Virtuani、Mauro Caccivo及其研究小組對這個電站進行研究，主要測量數(shù)據(jù)包括1982年到2017年間的大量信息。Mauro Caccivo教授表示，他們的團隊處理了數(shù)不清的文件，花了近兩年的時間來整理所有相關(guān)信息。
40年壽命的組件
TISO‐10電站當(dāng)時的建設(shè)成本約為47.5萬美元（在今天，約合30.9萬美元），項目所有的288片組件的成本約為37美元/W,這種玻璃背板的組件每片輸出功率37W，品牌是當(dāng)時最大的組件制造商Arco Solar。據(jù)了解，Arco Solar在當(dāng)時擁有1MW的年產(chǎn)能，它先是被德國西門子收購，又在2007年被德國的SolarWorld收購。
雖然TISO‐10電站系統(tǒng)的電氣布局發(fā)生了幾次變化，但是除了僅有的幾次更換逆變器之外，所有的組件一用到底，始終暴露在室外和陽光下，沒有經(jīng)歷過翻新或者改造，有極少數(shù)幾片組件更換了接線盒和旁路二極管。
兩位科學(xué)家強調(diào)說，“這些組件的機械強度令人驚奇，”然而，這些組件的重量、尺寸以及電池片的厚度并不能反映現(xiàn)在或者近幾年的組件在使用中可能發(fā)生的情況，因為后者可能會發(fā)生隱裂。“但是這些組件可以告訴我們很多關(guān)于濕度滲透和變黃的信息。每個組件都封裝了一層鋼箔，以防止水汽進入，鋼箔的兩側(cè)都被絕緣材料Tedlar包裹。” 他們解釋說，盡管該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更像玻璃/玻璃組件，而不是傳統(tǒng)的玻璃/背板組件，但它更接近我們今天所定義的雙玻組件。
這種組件的轉(zhuǎn)換效率為10%，開路電壓21.5V，短路電流為2.55A，尺寸為1219mm × 305mm x 38mm，單片重4.9KG，由35片直徑為102mm的單晶電池片制造而成。“現(xiàn)在的電池片技術(shù)要復(fù)雜的多，包括表面鈍化技術(shù)或者多層結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜性可能會使電池片變得更脆弱，并面臨更高的降解率。”科學(xué)家們補充說。
總的來說，逆變器共更換了五次，Abacus controls公司提供了最初的逆變器設(shè)備，十年后換成了Invertomatic公司的產(chǎn)品，系統(tǒng)設(shè)計也進行了修改，采用了更長的組串連接。到了后期，則使用了SMA的逆變器，系統(tǒng)設(shè)計又恢復(fù)到原來的配置。
截然不同的發(fā)電量
TISO‐10電站的組件表現(xiàn)差別明顯。研究人員將電池板分為三組，表現(xiàn)最好的組件幾乎沒有發(fā)黃，其他兩組則表現(xiàn)出中度、高度變黃。“在第三組中，泛黃的程度十分強烈以至于組件變成了棕色。電池板的長期電氣性能和老化程度與封裝材料高度相關(guān)。”科學(xué)家們表示。
經(jīng)過近幾年的化學(xué)分析證實，三組電池板的封裝材料都是由相同的基礎(chǔ)聚合物——聚乙烯醇縮丁醛(PVB)制造而成的，但是Arco Solar公司當(dāng)時選了三家封裝材料供應(yīng)商，這些供應(yīng)商在聚合物中采用了不同的添加劑，從而導(dǎo)致不同的性能。研究人員解釋說，“細節(jié)決定成??！在這種情況下，封裝材料只要改變一種添加劑，就會影響整個光伏電站的性能。這表明封裝材料的選材至關(guān)重要！”
圖片：已經(jīng)運行了近40年的光伏組件。來源：SUPSI PVLab
由于從組件中提取聚合物是一種破壞性的手段，研究人員只能對有限數(shù)量的組件進行化學(xué)分析，但他們排除了其他降解原因，因為泛黃只與封裝材料有關(guān)。
三組電池板的功率衰減
大約有21.5%的組件顯示每年有-0.2%的衰減，這也與制造商承諾的數(shù)據(jù)相符。而大約有72.9%的組件每年有-0.2%—-0.7%的衰減?？茖W(xué)家表示，大部分的組件都表現(xiàn)良好，達到了最初的預(yù)期。也就是說這個電站中至少有70%的組件滿足35年的使用壽命。
分析還表明，有87.5%的組件出現(xiàn)了一些輕微的分層和接線盒問題，但是這些問題在三組電池板中分布的比較平均。此外，一些組件還出現(xiàn)隱裂、背板老化、內(nèi)部電路腐蝕、熱斑和糊斑。
研究人員強調(diào)，從光伏電站安裝和組件研究中得到的第一個也是最重要的教訓(xùn)是：材料清單（BOM）至關(guān)重要。材料的選擇無論是在今天還是在四十年前都一樣關(guān)鍵。
翻新還是更換？
當(dāng)被問到這種老舊光伏系列的未來，到底是維修改進（盡管發(fā)電量較低）還是直接更換新的系統(tǒng)時，兩位科學(xué)家給出了不同的觀點。
Mauro Caccivo表示，“從經(jīng)濟上講，最好是重新升級或者直接采用一個全新的光伏系統(tǒng)來取代老的電站。然而，歐盟委員會已經(jīng)為太陽能組件建立了40年的生命周期，合理地說，我們必須充分使用光伏產(chǎn)品，直到它們生命周期結(jié)束，或者直到其原始性能的80%得到滿足。”他補充說，通過對瑞士這個古老電站的研究，可以發(fā)現(xiàn)，很多組件每年僅有-0.2%的衰減，生命周期遠比40年要長。
Alessandro Virtuani則認為，通過適當(dāng)?shù)倪\維，可以延長光伏系統(tǒng)的生命周期。 “如果光伏系統(tǒng)運行良好，它可以運行超過40年，”他解釋說。另一方面，“目前歐洲的一些電站都是以30年受用壽命來進行商業(yè)規(guī)劃。如果系統(tǒng)和組件運行良好，沒有什么能阻止我們延長光伏系統(tǒng)的運行時間。”
他還表示，將光伏系統(tǒng)的壽命延長到30年以上也可能取決于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。比如說，一個光伏水泵系統(tǒng)，不需要長時間滿載負荷，這樣它的運行壽命可能會遠超業(yè)主的預(yù)期。
兩位研究專家的結(jié)果發(fā)表在兩篇不同的論文中，“35年的光伏：TISO‐10kW太陽能電站的分析，安全和性能方面的經(jīng)驗教訓(xùn)—第一部分”以及“35年的光伏：TISO‐10kW太陽能電站的分析，安全和性能方面的經(jīng)驗教訓(xùn)—第二部分”。兩篇論文均發(fā)表在《光伏發(fā)電進展Progress in Photovoltaics》上。
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