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(gè)安裝在瑞士應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室屋頂?shù)?0KW發(fā)電系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱TISO‐10，自從并網(wǎng)以來(lái)幾乎不間斷運(yùn)行了40年。
瑞士聯(lián)邦能源辦公室(SFOE)邀請(qǐng)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(duì)這個(gè)電站進(jìn)行研究，主要測(cè)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(tuán)隊(duì)處理了數(shù)不清的文件，花了近兩年的時(shí)間來(lái)整理所有相關(guān)信息。
40年壽命的組件
TISO‐10電站當(dāng)時(shí)的建設(shè)成本約為47.5萬(wàn)美元（在今天，約合30.9萬(wàn)美元），項(xiàng)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(shí)最大的組件制造商Arco Solar。據(jù)了解，Arco Solar在當(dāng)時(shí)擁有1MW的年產(chǎn)能，它先是被德國(guó)西門子收購(gòu)，又在2007年被德國(guó)的SolarWorld收購(gòu)。
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(yáng)光下，沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)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(qiáng)調(diào)說(shuō)，“這些組件的機(jī)械強(qiáng)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?yàn)楹笳呖赡軙?huì)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(gè)組件都封裝了一層鋼箔，以防止水汽進(jìn)入，鋼箔的兩側(cè)都被絕緣材料Tedlar包裹。” 他們解釋說(shuō)，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(kāi)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(huì)使電池片變得更脆弱，并面臨更高的降解率。”科學(xué)家們補(bǔ)充說(shuō)。
總的來(lái)說(shuō)，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(jì)也進(jìn)行了修改，采用了更長(zhǎng)的組串連接。到了后期，則使用了SMA的逆變器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)又恢復(fù)到原來(lái)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(méi)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(qiáng)烈以至于組件變成了棕色。電池板的長(zhǎng)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(guò)近幾年的化學(xué)分析證實(shí)，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(shí)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(shuō)，“細(xì)節(jié)決定成?。≡谶@種情況下，封裝材料只要改變一種添加劑，就會(huì)影響整個(gè)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(yùn)行了近40年的光伏組件。來(lái)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(duì)有限數(shù)量的組件進(jìn)行化學(xué)分析，但他們排除了其他降解原因，因?yàn)榉狐S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(dá)到了最初的預(yù)期。也就是說(shuō)這個(gè)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(wèn)題，但是這些問(wèn)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(qiáng)調(diào)，從光伏電站安裝和組件研究中得到的第一個(gè)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(wú)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(wèn)到這種老舊光伏系列的未來(lái)，到底是維修改進(jìn)（盡管發(fā)電量較低）還是直接更換新的系統(tǒng)時(shí)，兩位科學(xué)家給出了不同的觀點(diǎn)。
Mauro Caccivo表示，“從經(jīng)濟(jì)上講，最好是重新升級(jí)或者直接采用一個(gè)全新的光伏系統(tǒng)來(lái)取代老的電站。然而，歐盟委員會(huì)已經(jīng)為太陽(yáng)能組件建立了40年的生命周期，合理地說(shuō)，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(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)對(duì)瑞士這個(gè)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(yuǎn)比40年要長(zhǎng)。
Alessandro Virtuani則認(rèn)為，通過(guò)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)維，可以延長(zhǎng)光伏系統(tǒng)的生命周期。 “如果光伏系統(tǒng)運(yùn)行良好，它可以運(yùn)行超過(guò)40年，”他解釋說(shuō)。另一方面，“目前歐洲的一些電站都是以30年受用壽命來(lái)進(jìn)行商業(yè)規(guī)劃。如果系統(tǒng)和組件運(yùn)行良好，沒(méi)有什么能阻止我們延長(zhǎng)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。”
他還表示，將光伏系統(tǒng)的壽命延長(zhǎng)到30年以上也可能取決于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。比如說(shuō)，一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)，不需要長(zhǎng)時(shí)間滿載負(fù)荷，這樣它的運(yùn)行壽命可能會(huì)遠(yuǎn)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(yáng)能電站的分析，安全和性能方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)—第一部分”以及“35年的光伏：TISO‐10kW太陽(yáng)能電站的分析，安全和性能方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)—第二部分”。兩篇論文均發(fā)表在《光伏發(fā)電進(jìn)展Progress in Photovoltaics》上。
評(píng)論