Khám phá hệ thống điện mặt trời lâu đời nhất ở Châu Âu

Một hệ thống điện mặt trời 10 kW đã cung cấp điện cho lưới điện của Thụy Sĩ từ năm 1982. Một nhóm nghiên cứu về hiệu suất trong vòng đời 35 năm đầu tiên của giàn pin và phát hiện ra rằng các tấm pin mặt trời có thể đạt tuổi thọ lên đến 35 năm - trong điều kiện khí hậu ôn đới - và đem lại lợi nhuận tuyệt vời cho chủ đầu tư.

Hệ thống PV TISO ‐ 10 (TIcino SOlare) được hoà lưới vào năm 1982 trên mái nhà ngày nay là SUPSI PVLab tại Đại học Khoa học Ứng dụng và Nghệ thuật miền Nam Thụy Sĩ, nằm ở bang Ticino, nơi nó đã hoạt động gần như không bị gián đoạn trong gần 40 năm.

 Các thông số đo đạc hiệu suất của giàn pin được lấy trong khoảng 35 năm từ 1982 đến 2017, khi Văn phòng Năng lượng Liên bang Thụy Sĩ (SFOE) giao nhiệm vụ cho hai nhà khoa học - Alessandro Virtuani, nhà nghiên cứu cấp cao tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) và Mauro Caccivo, người đứng đầu SUPSI PVLab - cùng đội ngũ của họ để phân tích lượng dữ liệu thu thập khổng lồ. Caccivio nói: “Chúng tôi đã phải xử lý một khối lượng giấy tờ đáng kinh ngạc và mất gần hai năm để sắp xếp tất cả các thông tin liên quan".

Các tấm pin mặt trời đã 40 năm tuổi

Giàn pin này được xây dựng với chi phí khoảng 284.000 CHF (309.000 USD ngày nay và 475.000 USD vào thời điểm đó), 288 tấm pin được sử dụng cho dự án có giá khoảng 21 CHF (22,9 USD hiện tại và khoảng 37 USD vào thời điểm đó) cho mỗi watt. Với công suất 37 W mỗi tấm cùng mặt lưng kính, được cung cấp bởi Arco Solar, công ty đầu tiên được tập đoàn Siemens của Đức mua lại và sau đó là nhà sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời có trụ sở tại Đức vào năm 2007. “Khi các tấm pin được mua vào năm 1980, Arco Solar là một trong những nhà sản xuất lớn nhất thế giới và có công suất sản xuất hàng năm khoảng 1 MW”

Mặc dù cách bố trí về điện của hệ thống đã thay đổi nhiều lần, sau khi thay thế các bộ biến tần. Tuy nhiên tất cả các tấm pin đều xuống cấp như nhau, luôn tiếp xúc với môi trường, ánh sáng mặt trời và không bao giờ được tân trang hoặc thay thế, chỉ có rất ít trường hợp ngoại lệ, trong đó Junctionbox và Diode Bypass đã được thay thế.

 “Những tấm pin này có độ bền cơ học ấn tượng,” Virtuani và Caccivio nhấn mạnh, tuy nhiên với khối lượng và kích cỡ của chúng cộng với độ dày của các cell, không đại diện cho những gì có thể xảy ra với một tấm pin năng lượng mặt trời về các vết nứt đối với một hệ thống PV được xây dựng bằng các module được sản xuất ngày nay hoặc trong những năm gần đây. “Nhưng những tấm pin này cho chúng ta biết rất nhiều về sự xâm nhập của độ ẩm và hiện tượng ố vàng,” họ nói. “Mỗi tấm pin được bao bọc bằng một tấm lưng làm bằng lá thép có chức năng chống sự xâm nhập của nước, được kẹp bởi các lớp Tedlar ở cả hai mặt,” gần giống như tấm pin kính 2 mặt mà ta thấy ngày nay. 

 Nhìn chung, các bộ biến tần đã được thay đổi năm lần. Các thiết bị đầu tiên được cung cấp bởi Abacus, đã được thay thế sau 10 năm bằng một sản phẩm mới của Invertomatic và thiết kế hệ thống cũng được sửa đổi, với các string dài hơn và số lượng tấm pin giảm một chút. Ở giai đoạn sau, các bộ biến tần SMA đã được lắp đặt và thiết kế hệ thống trở lại cấu hình ban đầu với 288 tấm pin. Các tấm pin năng lượng mặt trời là thành phần duy nhất của hệ thống không thay đổi. 

Sản lượng khác nhau

 Hiệu suất của các tấm pin không giống nhau và các nhà nghiên cứu có thể chia chúng thành ba nhóm, trong đó nhóm hoạt động tốt nhất hầu như không có dấu hiệu ố vàng, trong khi hai nhóm còn lại có mức độ ố vàng trung bình và cao. Virtuani nói: “Ở nhóm thứ ba, ố vàng quá dữ dội đến mức một số tấm ngả sang màu nâu. Virtuani nói “Hiệu suất điện và sự lão hóa của các tấm pin có mối tương quan chặt chẽ với các nhóm pin tương ứng và vật liệu tấm pin được sử dụng để sản xuất chúng”.

 Phân tích hóa học được thực hiện trong những năm gần đây đã xác nhận rằng ba vật liệu được làm từ các polyme cơ bản giống nhau nhưng ba nhà cung cấp tương ứng của chúng đã sử dụng các chất phụ gia khác nhau trong công thức, giải thích hiệu suất khác nhau. Ông Virtuani nói thêm: “Bằng cách chỉ thay đổi một phần tử duy nhất, trong trường hợp này là nhà cung cấp vật liệu, toàn bộ hiệu suất của giàn pin có thể bị ảnh hưởng". “Điều đó cho thấy rằng nguyên vật liệu rất quan trọng !"

 Ba vật liệu đều dựa trên polyvinyl butyral (PVB), một loại polymer nhiệt dẻo đã được sử dụng từ đầu những năm 80 để đóng gói các tấm pin mặt trời và từ đó đã được thay thế bằng ethylene vinyl acetate (EVA). Các nhà khoa học nhấn mạnh: “Một cựu quản lý của Arco Solar đã xác nhận rằng, vào thời điểm đó, vật liệu có khả năng là PVB và ba nhà cung cấp khác nhau của PVB đã được công ty sử dụng”, các nhà khoa học nhấn mạnh. 

Ba nhóm khác nhau

 Khoảng 21,5% các tấm pin suy giảm -0,2% mỗi năm, tương ứng với giá trị mà nhà sản xuất cam kết, trong khi một nhóm khác đại diện cho 72,9% các tấm pin cho thấy sự suy giảm hàng năm từ -0,2% đến -0,7% mỗi năm. “Hầu hết các tấm trong nhóm thứ hai cũng hoạt động tốt, đáp ứng kỳ vọng ban đầu,” Caccivio nói, lưu ý rằng nhóm này có thể được chia thành hai nhóm phụ tương ứng với các loại vật liệu khác nhau.

Từ năm 1982 đến năm 2017, các tấm pin của nhóm thứ nhất xuống cấp tổng thể nhiều nhất là 13% và của nhóm thứ hai lên đến 21%, mặc dù một nửa trong số chúng không vượt quá ngưỡng 20%. Theo tập đoàn Thụy Sĩ, khoảng 70% tấm pin được sử dụng trong giàn pin sẽ vẫn đáp ứng bảo hành hiệu suất mà các nhà sản xuất hiện đang xem xét để áp dụng, có nghĩa là tuổi thọ 35 năm.

Phân tích cũng cho thấy rằng 87,5% tấm pin bị một số phân tách nhỏ ở mặt trước và các vấn đề với một số hộp nối dây, nhưng những vấn đề này được phân bổ đồng đều giữa ba nhóm. Tuy nhiên, các hộp nối dây bị quá nhiệt có tác động nhỏ hơn đến các tấm pin của nhóm đầu tiên. Hơn nữa, một số tấm pin cho thấy các vết nứt, sự xuống cấp của lớp nền mặt sau, ăn mòn mạch bên trong, các điểm nóng và vết cháy trong số những tấm pin.

Bài học đầu tiên và quan trọng nhất rút ra từ việc nghiên cứu lắp đặt hệ thống điện mặt trời “là vấn đề hóa đơn nguyên vật liệu (BOM)”, các nhà nghiên cứu tuyên bố, đồng thời cho biết thêm rằng việc lựa chọn vật liệu ngày nay cũng quan trọng như cách đây bốn mươi năm. 

Cải tạo hay thay thế?

 Khi được hỏi về tương lai của hệ thống này và hệ thống lắp đặt cũ nói chung, nếu cải tạo hoặc lắp đặt lại có thể là một lựa chọn tốt hơn so với việc để các tấm pin cũ tiếp tục phát điện với năng suất thấp hơn, hai nhà khoa học đã đưa ra các quan điểm khác nhau. 

Caccivio nói: “Về mặt kinh tế, có thể tốt hơn khi thực hiện cải tiến lại, hoặc cuối cùng thay thế giàn pin cũ bằng một hệ thống hoàn toàn mới. “Tuy nhiên, Ủy ban Châu Âu đã thiết lập vòng đời 40 năm cho các tấm pin năng lượng mặt trời và theo một cách hợp lý chúng tôi phải sử dụng các sản phẩm năng lượng mặt trời cho đến khi kết thúc vòng đời của chúng hoặc cho đến khi chỉ còn đạt 80% hiệu suất so với ban đầu ” Hệ thống điện mặt trời được nghiên cứu đã chỉ ra rằng một phần của nó chỉ mất 0,2% hiệu suất ban đầu và vẫn còn đạt tiêu chuẩn trên ngưỡng 40 năm. 

 Ông cũng nói rằng việc kéo dài tuổi thọ của hệ thống điện mặt trời trong thời hạn 30 năm cũng có thể phụ thuộc vào các tải của hệ thống điện mặt trời. Ví dụ: một giàn pin cấp nguồn cho máy bơm nước (hệ thống Solar Pump) không cần phải hoạt động hết công suất thì nó có thể sử dụng được lâu hơn những gì mà chủ nhân của nó mong đợi.

Link nguồn bài viết: Exploring the depths of Europe’s oldest grid-connected PV system – pv magazine International (pv-magazine.com)