Die älteste bekannte Photovoltaikanlage Europas befindet sich im Kanton Tessin in der Südschweiz. Die 10-Kilowatt-Stromerzeugungsanlage auf dem Dach des Labors der Schweizerischen Hochschule für Angewandte Wissenschaften und Künste, bekannt als TISO-10, ist seit 40 Jahren fast ununterbrochen in Betrieb, seit sie an das Netz angeschlossen wurde. Das Bundesamt für Energie (BFE) lud Alessandro Virtuani und Mauro Caccivo, zwei Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, und ihr Forschungsteam ein, diese Photovoltaikanlage zu untersuchen, deren wichtigste Messungen zwischen 1982 und 2017 durchgeführt wurden.Professor Mauro Caccivo sagte, dass ihre Das Team der Kommission bearbeitete unzählige Dokumente und verbrachte fast zwei Jahre mit der Zusammenstellung aller relevanten Informationen.
PV-Module mit einer Lebensdauer von 40 Jahren
Der Bau der TISO-10-Anlage kostete rund 475.000 US-Dollar (heute rund 309.000 US-Dollar), und alle 288 PV-Module für das Projekt kosteten rund 37 US-Dollar/W. Die glasgestützten PV-Module hatten eine Leistung von 37 W pro Modul und wurden von Arco Solar, dem damals größten PV-Modulhersteller, hergestellt. Solar, das damals eine jährliche Produktionskapazität von 1 MW hatte, wurde zunächst von Siemens in Deutschland und dann 2007 von SolarWorld in Deutschland übernommen.
Foto: TISO-10 PV-Anlage mit PV-Modulen von Arco Solar, Quelle: SUPSI PVLab
Obwohl das elektrische Layout der TISO-10 PV-Anlage mehrmals geändert wurde, abgesehen von einigen Wechselrichterwechseln, wurden alle PV-Module durchgehend verwendet, immer im Freien und der Sonne ausgesetzt, und wurden nicht renoviert oder verändert, mit Ausnahme einiger weniger PV-Module, die durch Anschlussdosen und Bypass-Dioden ersetzt wurden.
Die beiden Wissenschaftler betonen, dass "die mechanische Festigkeit dieser PV-Module überraschend ist", dass aber das Gewicht, die Größe und die Dicke der Zellen nicht das widerspiegeln, was mit PV-Modulen passiert, die heute oder in den letzten Jahren verwendet werden, da letztere versteckten Rissen ausgesetzt sein können. "Aber diese PV-Module können uns eine Menge über das Eindringen von Feuchtigkeit und die Vergilbung sagen. Jedes PV-Modul ist mit einer Schicht Stahlfolie eingekapselt, um das Eindringen von Wasserdampf zu verhindern, und beide Seiten der Folie sind mit dem Isoliermaterial Tedlar umwickelt." Sie erklären, dass das Produkt zwar eher wie ein Glas-PV-Modul als ein herkömmliches PV-Modul mit Glasrückseite konstruiert ist, aber näher an dem liegt, was wir heute als doppelt verglastes PV-Modul mit doppelseitigem Glas definieren.
Bild: Monokristalline Zelle mit 102 mm Durchmesser Quelle: SUPSI PVLab
Mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 10%, einer Leerlaufspannung von 21,5V und einem Kurzschlussstrom von 2,55A misst dieses PV-Modul 1219mm × 305mm x 38mm, wiegt 4,9KG pro Zelle und wird aus 35 monokristallinen Zellen mit einem Durchmesser von 102mm hergestellt. "Die derzeitige Zelltechnologie ist viel komplexer, einschließlich der Oberflächenpassivierungstechnologie oder Mehrschichtstrukturen. Diese Komplexität könnte die Zellen anfälliger machen und sie einer höheren Abbaurate aussetzen. Die Wissenschaftler fügten hinzu.
Insgesamt wurden die Solarwechselrichter fünfmal ausgetauscht, wobei Abacus Controls die ursprüngliche Solarwechselrichterausrüstung lieferte, die zehn Jahre später durch Invertomatic-Produkte ersetzt wurde, und das Systemdesign wurde mit längeren Stringverbindungen geändert. Zu einem späteren Zeitpunkt wurden SMA-Wechselrichter eingesetzt, und das System wurde wieder auf die ursprüngliche Konfiguration umgestellt.
Sehr unterschiedliche Stromerzeugung
Die Leistung der PV-Module in der TISO-10-Anlage ist sehr unterschiedlich. Die Forscher teilten die Solarmodule in drei Gruppen ein, wobei die am besten abschneidenden PV-Module fast keine Vergilbung aufwiesen und die beiden anderen Gruppen mäßig bis stark vergilbten. "Bei der dritten Gruppe war die Vergilbung so stark, dass die PV-Module braun wurden. Die langfristige elektrische Leistung und der Grad der Alterung der PV-Paneele hängen stark vom Verkapselungsmaterial ab. Die Wissenschaftler sagten.
Chemische Analysen in den letzten Jahren haben bestätigt, dass das Verkapselungsmaterial für alle drei Gruppen von PV-Solarmodulen aus demselben Basispolymer, Polyvinylbutyral (PVB), hergestellt wurde, aber Arco Solar wählte dann drei Lieferanten von Verkapselungsmaterial aus, die unterschiedliche Zusatzstoffe im Polymer verwendeten Daraus ergaben sich unterschiedliche Eigenschaften. Die Forscher erklären: "Es kommt auf die Details an! In diesem Fall könnte die Änderung eines einzigen Zusatzstoffs im Verkapselungsmaterial die Leistung der gesamten PV-Anlage beeinträchtigen. Dies zeigt, dass die Wahl des Verkapselungsmaterials entscheidend ist!"
Foto: PV-Module, die seit fast 40 Jahren in Betrieb sind. Quelle: SUPSI PVLab
Da es sich bei der Extraktion von Polymeren aus PV-Modulen um ein zerstörerisches Verfahren handelt, konnten die Forscher nur eine begrenzte Anzahl von PV-Modulen chemisch analysieren, aber sie schlossen andere Ursachen für die Degradation aus, da die Vergilbung nur mit dem Verkapselungsmaterial zusammenhing.
Leistungsverschlechterung in drei Gruppen von Solarmodulen
Etwa 21,5 % der PV-Module wiesen eine jährliche Dämpfung von -0,2 % auf, was auch den von den Solarmodulherstellern versprochenen Werten entspricht. Und rund 72,9 Prozent der PV-Module haben eine Abklingzeit von -0,2 bis 0,7 Prozent pro Jahr. Die Wissenschaftler sagen, dass die Mehrheit der PV-Module gut funktioniert und die anfänglichen Erwartungen erfüllt. Das bedeutet, dass mindestens 70 % der PV-Module in dieser Anlage die Lebenserwartung von 35 Jahren erfüllen.
Die Analyse ergab auch, dass 87,5 % der PV-Module kleinere Probleme mit Delaminationen und Anschlussdosen aufwiesen, die jedoch gleichmäßiger auf die drei Gruppen von Modulen verteilt waren. Darüber hinaus wiesen einige PV-Module versteckte Risse, eine Verschlechterung der Rückseitenfolie, Korrosion der internen Schaltkreise, heiße Stellen und Klebepunkte auf.
Die Forscher betonen, dass die erste und wichtigste Lehre aus den Studien zur Installation von PV-Anlagen und PV-Modulen darin besteht, dass die Stückliste (BOM) entscheidend ist. Die Auswahl der Materialien ist heute genauso wichtig wie vor vierzig Jahren.