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,這個安裝在瑞士應用科學與藝術大學實驗室屋頂?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)邦理工學院的兩位科學家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信息。
40年壽命的組件
TISO‐10電站當時的建設成本約為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,品牌是當時最大的組件制造商Arco Solar。據(jù)了解,Arco Solar在當時擁有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。
圖片:TISO‐10電站由Arco Solar提供組件,來源:SUPSI PVLab
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,鋼箔的兩側都被絕緣材料Tedlar包裹?!?nbsp;他們解釋說,盡管該產(chǎn)品的結構更像玻璃/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。
圖片:直徑為102mm的單晶電池片 來源:SUPSI PVLab
這種組件的轉換效率為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)在的電池片技術要復雜的多,包括表面鈍化技術或者多層結構。這種復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備,十年后換成了Invertomatic公司的產(chǎn)品,系統(tǒng)設計也進行了修改,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)設計又恢復到原來的配置。
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?!霸诘谌M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。”科學家們表示。
經(jīng)過近幾年的化學分析證實,三組電池板的封裝材料都是由相同的基礎聚合物——聚乙烯醇縮丁醛(PVB)制造而成的,但是Arco Solar公司當時選了三家封裝材料供應商,這些供應商在聚合物中采用了不同的添加劑,從而導致不同的性能。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。
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家表示,大部分的組件都表現(xiàn)良好,達到了最初的預期。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是:材料清單(BOM)至關重要。材料的選擇無論是在今天還是在四十年前都一樣關鍵。
翻新還是更換?
當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束,或者直到其原始性能的80%得到滿足?!彼a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?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?!?/p>
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)主的預期。
兩位研究專家的結果發(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—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—第二部分”。兩篇論文均發(fā)表在《光伏發(fā)電進展Progress in Photovoltaics》上。
光伏們整理編譯。
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