Den äldsta kända solcellsanläggningen i Europa, som ligger i kantonen Ticino i södra Schweiz, är ett 10 KW kraftproduktionssystem som installerats på taket till laboratoriet vid det schweiziska universitetet för tillämpad vetenskap och konst, känt som TISO-10, och som har fungerat nästan oavbrutet i 40 år sedan det anslöts till elnätet. Det schweiziska federala energikontoret (SFOE) bjöd in Alessandro Virtuani, Mauro Caccivo, två forskare från det schweiziska federala tekniska institutet i Lausanne, och deras forskargrupp för att studera denna solcellsanläggning, vars huvudsakliga mätningar omfattade en mängd information mellan 1982 och 2017.Professor Mauro Caccivo sade att deras teamet behandlade otaliga dokument och ägnade nästan två år åt att sammanställa all relevant information.
Solcellsmoduler med en livslängd på 40 år
TISO-10-anläggningen kostade cirka 475 000 US-dollar att bygga (idag cirka 309 000 US-dollar) och alla 288 solcellsmoduler för projektet kostade cirka 37 US-dollar per ton. De glasbaserade solcellsmodulerna hade en effekt på 37 W vardera och var märkta av Arco Solar, den största tillverkaren av solcellsmoduler på den tiden. Solar, som då hade en årlig produktionskapacitet på 1 MW, förvärvades först av Siemens i Tyskland och sedan av SolarWorld i Tyskland 2007.
Foto: Solcellsanläggningen TISO-10 med solcellsmoduler från Arco Solar, källa: SUPSI PVLab.
Även om den elektriska utformningen av systemet för solcellsanläggningen i TISO-10 har ändrats flera gånger, bortsett från några byten av växelriktare, har alla solcellsmoduler använts hela tiden, alltid exponerade för utomhus och solen, och har inte genomgått några renoveringar eller ändringar, med ett fåtal solcellsmoduler som ersatts med kopplingslådor och bypassdioder.
De två forskarna betonar att "den mekaniska styrkan hos dessa solcellsmoduler är överraskande", men att cellernas vikt, storlek och tjocklek inte återspeglar vad som kan hända med solcellsmoduler som används nu eller under de senaste åren, eftersom de senare kan vara föremål för dolda sprickor. "Men dessa solcellsmoduler kan berätta en hel del om fuktinträngning och gulning. Varje solcellsmodul är inkapslad med ett lager stålfolie för att förhindra att vattenånga tränger in, och båda sidorna av folien är insvepta i det isolerande materialet Tedlar." De förklarar att även om produkten är konstruerad mer som en solcellsmodul av glas än en traditionell solcellsmodul med glasbakgrund, ligger den närmare vad vi idag definierar som en dubbelglasmodul med dubbelsidigt glas.
Bild: Monokristallin cell med 102 mm diameter Källa: SUPSI PVLab
Denna solcellsmodul har en omvandlingseffektivitet på 10 %, en spänning i öppen krets på 21,5 V och en kortslutningsström på 2,55 A. Den mäter 1219 mm × 305 mm x 38 mm, väger 4,9 kg per cell och är tillverkad av 35 monokristallina celler med en diameter på 102 mm. "Den nuvarande celltekniken är mycket mer komplex, inklusive teknik för ytpassivering eller strukturer med flera lager. Denna komplexitet kan göra cellerna mer ömtåliga och utsatta för högre nedbrytningshastigheter." Forskarna tillade.
Totalt sett byttes solomriktarna ut fem gånger, där Abacus Controls tillhandahöll den ursprungliga solomriktarutrustningen, som tio år senare byttes ut mot Invertomatic-produkter, och systemets utformning ändrades med längre strängförbindelser. I ett senare skede användes SMA-växelriktare och systemdesignen återgick till den ursprungliga konfigurationen.
Mycket olika kraftproduktion
Prestandan hos solcellsmodulerna vid TISO-10-anläggningen varierar kraftigt. Forskarna delade in solpanelerna i tre grupper, där de bäst presterande solcellsmodulerna nästan inte hade någon gulning och de andra två grupperna hade en måttlig och hög grad av gulning. "I den tredje gruppen var gulningen så intensiv att solcellsmodulerna blev bruna. Den långsiktiga elektriska prestandan och graden av åldrande av solcellspaneler är starkt beroende av inkapslingsmaterialet." Forskarna säger.
Kemisk analys under de senaste åren har bekräftat att inkapslingsmaterialet för alla tre grupperna av solcellspaneler tillverkades av samma baspolymer, polyvinylbutyral (PVB), men Arco Solar valde sedan tre leverantörer av inkapslingsmaterial som använde olika tillsatser i polymeren. Detta resulterade i olika egenskaper. Forskarna förklarar: "Allt ligger i detaljerna! I det här fallet kan en ändring av bara en tillsats i inkapslingsmaterialet påverka hela solcellsanläggningens prestanda. Detta visar att valet av inkapslingsmaterial är avgörande!"
Foto: Solcellsmoduler som har varit i drift i nästan 40 år. Källa: SUPSI PVLab
Eftersom det är destruktivt att extrahera polymerer från solcellsmoduler kunde forskarna bara utföra kemiska analyser på ett begränsat antal solcellsmoduler, men de kunde utesluta andra orsaker till nedbrytningen eftersom gulfärgningen endast var relaterad till inkapslingsmaterialet.
Effektförsämring i tre grupper av solpaneler
Ungefär 21,5 % av solcellsmodulerna uppvisade en årlig dämpning på -0,2 %, vilket också är i linje med de siffror som solcellstillverkarna utlovat. Cirka 72,9 procent av solcellsmodulerna har en förfallskoefficient på -0,2-0,7 procent per år. Forskarna säger att majoriteten av solcellsmodulerna fungerar bra och uppfyller de ursprungliga förväntningarna. Detta innebär att minst 70 % av solcellsmodulerna i anläggningen har en förväntad livslängd på 35 år.
Analysen visade också att 87,5 % av solcellsmodulerna uppvisade mindre problem med delaminering och kopplingslådor, men dessa var jämnt fördelade mellan de tre panelgrupperna. Dessutom hade vissa solcellsmoduler dolda sprickor, försämrad baksida, korrosion i den inre kretsen, heta fläckar och klisterfläckar.
Forskarna betonar att den första och viktigaste lärdomen från studierna av solcellsanläggningar och solcellsmoduler är att materialförteckningen (BOM) är avgörande. Valet av material är lika viktigt i dag som för fyrtio år sedan.