Sveitsin ammattikorkeakoulun laboratorion katolle asennettu 10 kilowatin sähköntuotantojärjestelmä, joka tunnetaan nimellä TISO-10, on toiminut lähes keskeytyksettä 40 vuoden ajan siitä lähtien, kun se liitettiin sähköverkkoon, ja se on Euroopan vanhin tunnettu aurinkosähkölaitos, joka sijaitsee Ticinon kantonissa Etelä-Sveitsissä. Sveitsin liittovaltion energiavirasto (SFOE) kutsui Alessandro Virtuanin, Mauro Caccivon, kaksi tiedemiestä Sveitsin liittovaltion teknillisestä korkeakoulusta Lausannesta, ja heidän tutkimusryhmänsä tutkimaan tätä aurinkosähkövoimalaa, jonka päämittaukset sisälsivät runsaasti tietoa vuosina 1982-2017.Professori Mauro Caccivo sanoi, että heidän tiimi käsitteli lukemattomia asiakirjoja ja käytti lähes kaksi vuotta kaikkien asiaankuuluvien tietojen kokoamiseen.
PV-moduulit, joiden käyttöikä on 40 vuotta
TISO-10-laitoksen rakentaminen maksoi noin 475 000 Yhdysvaltain dollaria (nykyään noin 309 000 Yhdysvaltain dollaria), ja kaikki hankkeen 288 aurinkosähkömoduulia maksoivat noin 37 Yhdysvaltain dollaria W. Lasitaustaisten aurinkosähkömoduulien teho oli 37 W moduulia kohti, ja ne olivat tuolloin suurimman aurinkosähkömoduulien valmistajan Arco Solarin valmistamia. Solar, jonka vuotuinen tuotantokapasiteetti oli tuolloin 1 MW, siirtyi ensin saksalaisen Siemensin ja sitten saksalaisen SolarWorldin omistukseen vuonna 2007.
Kuva: TISO-10 PV-laitos, jossa on Arco Solarin toimittamia PV-moduuleja, lähde: SUPSI PVLab.
Vaikka TISO-10:n aurinkosähkövoimalan järjestelmän sähköinen rakenne on muuttunut useita kertoja, lukuun ottamatta muutamaa invertterin vaihtoa, kaikki aurinkosähkömoduulit ovat olleet koko ajan käytössä, ne ovat aina olleet alttiina ulkoilmalle ja auringolle, eikä niitä ole uusittu tai muutettu, lukuun ottamatta hyvin harvoja aurinkosähkömoduuleja, jotka on korvattu liitäntärasioilla ja ohitusdiodilla.
Tutkijat korostavat, että "näiden aurinkosähkömoduulien mekaaninen lujuus on yllättävää", mutta kennojen paino, koko ja paksuus eivät kuitenkaan vastaa sitä, mitä nykyisin tai viime vuosina käytössä oleville aurinkosähkömoduuleille voi tapahtua, sillä jälkimmäisissä voi esiintyä piileviä halkeamia. "Nämä aurinkosähkömoduulit voivat kuitenkin kertoa meille paljon kosteuden tunkeutumisesta ja kellastumisesta. Jokainen aurinkosähkömoduuli on koteloitu teräsfoliokerroksella, joka estää vesihöyryn pääsyn sisään, ja folion molemmat puolet on kääritty eristysmateriaaliin Tedlariin." He selittävät, että vaikka tuote on rakenteeltaan enemmänkin lasinen aurinkosähkömoduuli kuin perinteinen lasitaustainen aurinkosähkömoduuli, se on lähempänä sitä, mitä nykyään kutsutaan kaksoissähkömoduuliksi, jossa on kaksipuolinen lasi.
Kuva: halkaisijaltaan 102 mm:n monokiteinen kenno Lähde: SUPSI PVLab.
Tämän aurinkosähkömoduulin muuntotehokkuus on 10 %, avoimen piirin jännite 21,5 V ja oikosulkuvirta 2,55 A. Moduulin mitat ovat 1219 mm × 305 mm x 38 mm, se painaa 4,9 kg kennoa kohti ja se on valmistettu 35 monokiteisestä kennosta, joiden halkaisija on 102 mm. "Nykyinen kennotekniikka on paljon monimutkaisempaa, ja siihen kuuluu esimerkiksi pinnan passivointitekniikka tai monikerrosrakenteet. Tämä monimutkaisuus saattaa tehdä soluista hauraampia ja alttiimpia suuremmalle hajoamisnopeudelle." Tutkijat lisäsivät.
Kaiken kaikkiaan aurinkoinvertterit vaihdettiin viisi kertaa, ja Abacus Controls toimitti alkuperäiset aurinkoinvertterilaitteet, jotka korvattiin kymmenen vuotta myöhemmin Invertomaticin tuotteilla, ja järjestelmäsuunnitelmaa muutettiin pidemmillä säieyhteyksillä. Myöhemmässä vaiheessa käytettiin SMA-taajuusmuuttajia, ja järjestelmän suunnittelu palautettiin alkuperäiseen kokoonpanoon.
Erittäin erilainen energiantuotanto
TISO-10-laitoksen aurinkosähkömoduulien suorituskyky vaihtelee huomattavasti. Tutkijat jakoivat aurinkopaneelit kolmeen ryhmään, joista parhaiten suoriutuvissa aurinkosähköpaneeleissa ei havaittu lähes lainkaan kellastumista ja kahdessa muussa ryhmässä kellastuminen oli kohtalaista tai runsasta. "Kolmannessa ryhmässä kellastuminen oli niin voimakasta, että aurinkosähkömoduulit muuttuivat ruskeiksi. Aurinkosähköpaneelien pitkän aikavälin sähköinen suorituskyky ja ikääntymisaste riippuvat suuresti kapselointimateriaalista." Tutkijat sanoivat.
Viime vuosina tehdyt kemialliset analyysit ovat vahvistaneet, että kaikkien kolmen aurinkosähköpaneeliryhmän kapselointimateriaali valmistettiin samasta peruspolymeeristä, polyvinyylibutyraalista (PVB), mutta Arco Solar valitsi kolme kapselointimateriaalin toimittajaa, jotka käyttivät polymeerissä erilaisia lisäaineita. Tämä johti erilaisiin ominaisuuksiin. Tutkijat selittävät: "Kaikki on kiinni yksityiskohdista! Tällöin vain yhden kapselointimateriaalin lisäaineen muuttaminen voi vaikuttaa koko aurinkosähkövoimalan suorituskykyyn. Tämä osoittaa, että kapselointimateriaalin valinta on ratkaisevan tärkeää!"
Kuva: PV-moduulit, jotka ovat olleet käytössä lähes 40 vuotta. Lähde: SUPSI PVLab
Koska polymeerien irrottaminen aurinkosähkömoduuleista on tuhoisa menetelmä, tutkijat pystyivät tekemään kemiallisia analyysejä vain rajoitetulle määrälle aurinkosähkömoduuleja, mutta he sulkivat pois muut hajoamisen syyt, koska kellastuminen liittyi vain kapselointimateriaaliin.
Tehon heikkeneminen kolmessa aurinkopaneeliryhmässä
Noin 21,5 prosentissa aurinkosähkömoduuleista vuotuinen vaimennus oli -0,2 prosenttia, mikä vastaa myös aurinkopaneelivalmistajien lupaamia lukuja. Ja noin 72,9 prosentilla aurinkosähkömoduuleista on -0,2-0,7 prosentin vuotuinen hajoaminen. Tutkijoiden mukaan suurin osa aurinkosähkömoduuleista toimii hyvin ja täyttää alustavat odotukset. Tämä tarkoittaa, että vähintään 70 prosenttia tämän laitoksen aurinkosähkömoduuleista täyttää 35 vuoden käyttöiän odotuksen.
Analyysi osoitti myös, että 87,5 prosentissa aurinkosähköpaneeleista oli vähäisiä delaminaatio- ja liitäntäkotelo-ongelmia, mutta ne jakautuivat tasaisemmin kolmen paneeliryhmän kesken. Lisäksi joissakin aurinkokennomoduuleissa oli piilohalkeamia, taustalevyn heikkenemistä, sisäpiirin korroosiota, kuumia kohtia ja tahroja.
Tutkijat korostavat, että ensimmäinen ja tärkein oppi aurinkosähkövoimalan asennusta ja aurinkosähkömoduuleja koskevista tutkimuksista on se, että materiaaliluettelo on ratkaisevan tärkeä. Materiaalien valinta on nykyään yhtä tärkeää kuin neljäkymmentä vuotta sitten.