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光伏组件能用25年吗?运行40年光伏电站研究报告来了
2021-07-08 来源:掌上风电
 欧洲现存已知的最古老的光伏电站,位于瑞士南部的提契诺州,这个安装在瑞士应用科学与艺术大学实验室屋顶的10KW发电系统,简称TISO‐10,自从并网以来几乎不间断运行了40年。
 
瑞士联邦能源办公室(SFOE)邀请瑞士洛桑联邦理工学院的两位科学家Alessandro Virtuani、Mauro Caccivo及其研究小组对这个电站进行研究,主要测量数据包括1982年到2017年间的大量信息。Mauro Caccivo教授表示,他们的团队处理了数不清的文件,花了近两年的时间来整理所有相关信息。
 
TISO‐10电站当时的建设成本约为47.5万美元(在今天,约合30.9万美元),项目所有的288片组件的成本约为37美元/W,这种玻璃背板的组件每片输出功率37W,品牌是当时最大的组件制造商Arco Solar。据了解,Arco Solar在当时拥有1MW的年产能,它先是被德国西门子收购,又在2007年被德国的SolarWorld收购。
 
图片:TISO‐10电站由Arco Solar提供组件,来源:SUPSI PVLab
 
虽然TISO‐10电站系统的电气布局发生了几次变化,但是除了仅有的几次更换逆变器之外,所有的组件一用到底,始终暴露在室外和阳光下,没有经历过翻新或者改造,有极少数几片组件更换了接线盒和旁路二极管。
 
两位科学家强调说,“这些组件的机械强度令人惊奇,”然而,这些组件的重量、尺寸以及电池片的厚度并不能反映现在或者近几年的组件在使用中可能发生的情况,因为后者可能会发生隐裂。“但是这些组件可以告诉我们很多关于湿度渗透和变黄的信息。每个组件都封装了一层钢箔,以防止水汽进入,钢箔的两侧都被绝缘材料Tedlar包裹。” 他们解释说,尽管该产品的结构更像玻璃/玻璃组件,而不是传统的玻璃/背板组件,但它更接近我们今天所定义的双玻组件。
 
 

图片:直径为102mm的单晶电池片 来源:SUPSI PVLab
 
这种组件的转换效率为10%,开路电压21.5V,短路电流为2.55A,尺寸为1219mm × 305mm x 38mm,单片重4.9KG,由35片直径为102mm的单晶电池片制造而成。“现在的电池片技术要复杂的多,包括表面钝化技术或者多层结构。这种复杂性可能会使电池片变得更脆弱,并面临更高的降解率。”科学家们补充说。
 
总的来说,逆变器共更换了五次,Abacus controls公司提供了最初的逆变器设备,十年后换成了Invertomatic公司的产品,系统设计也进行了修改,采用了更长的组串连接。到了后期,则使用了SMA的逆变器,系统设计又恢复到原来的配置。
 
截然不同的发电量
 
TISO‐10电站的组件表现差别明显。研究人员将电池板分为三组,表现最好的组件几乎没有发黄,其他两组则表现出中度、高度变黄。“在第三组中,泛黄的程度十分强烈以至于组件变成了棕色。电池板的长期电气性能和老化程度与封装材料高度相关。”科学家们表示。
 
经过近几年的化学分析证实,三组电池板的封装材料都是由相同的基础聚合物——聚乙烯醇缩丁醛(PVB)制造而成的,但是Arco Solar公司当时选了三家封装材料供应商,这些供应商在聚合物中采用了不同的添加剂,从而导致不同的性能。研究人员解释说,“细节决定成败!在这种情况下,封装材料只要改变一种添加剂,就会影响整个光伏电站的性能。这表明封装材料的选材至关重要!”
 
 图片:已经运行了近40年的光伏组件。来源:SUPSI PVLab
 
由于从组件中提取聚合物是一种破坏性的手段,研究人员只能对有限数量的组件进行化学分析,但他们排除了其他降解原因,因为泛黄只与封装材料有关。
 
三组电池板的功率衰减
 
大约有21.5%的组件显示每年有-0.2%的衰减,这也与制造商承诺的数据相符。而大约有72.9%的组件每年有-0.2%—-0.7%的衰减。科学家表示,大部分的组件都表现良好,达到了最初的预期。也就是说这个电站中至少有70%的组件满足35年的使用寿命。
 
分析还表明,有87.5%的组件出现了一些轻微的分层和接线盒问题,但是这些问题在三组电池板中分布的比较平均。此外,一些组件还出现隐裂、背板老化、内部电路腐蚀、热斑和糊斑。
 
研究人员强调,从光伏电站安装和组件研究中得到的第一个也是最重要的教训是:材料清单(BOM)至关重要。材料的选择无论是在今天还是在四十年前都一样关键。
 
翻新还是更换?
 
当被问到这种老旧光伏系列的未来,到底是维修改进(尽管发电量较低)还是直接更换新的系统时,两位科学家给出了不同的观点。
 
Mauro Caccivo表示,“从经济上讲,最好是重新升级或者直接采用一个全新的光伏系统来取代老的电站。然而,欧盟委员会已经为太阳能组件建立了40年的生命周期,合理地说,我们必须充分使用光伏产品,直到它们生命周期结束,或者直到其原始性能的80%得到满足。”他补充说,通过对瑞士这个古老电站的研究,可以发现,很多组件每年仅有-0.2%的衰减,生命周期远比40年要长。
 
Alessandro Virtuani则认为,通过适当的运维,可以延长光伏系统的生命周期。 “如果光伏系统运行良好,它可以运行超过40年,”他解释说。另一方面,“目前欧洲的一些电站都是以30年受用寿命来进行商业规划。如果系统和组件运行良好,没有什么能阻止我们延长光伏系统的运行时间。”
 
他还表示,将光伏系统的寿命延长到30年以上也可能取决于光伏系统的应用。比如说,一个光伏水泵系统,不需要长时间满载负荷,这样它的运行寿命可能会远超业主的预期。
 
两位研究专家的结果发表在两篇不同的论文中,“35年的光伏:TISO‐10kW太阳能电站的分析,安全和性能方面的经验教训—第一部分”以及“35年的光伏:TISO‐10kW太阳能电站的分析,安全和性能方面的经验教训—第二部分”。两篇论文均发表在《光伏发电进展Progress in Photovoltaics》上。
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