Esplorando le profondità dell’impianto fotovoltaico più vecchio d’Europa

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L’impianto fotovoltaico TISO‐10 (TIcino SOlare) è stato connesso alla rete nel 1982 sul tetto di quello che oggi è il laboratorio PVLab SUPSI presso l’Università di Scienze Applicate e Arti della Svizzera Italiana, situata nel Canton Ticino di lingua italiana, dove ha operato quasi ininterrottamente per quasi 40 anni. Le misurazioni delle prestazioni dell’installazione sono state effettuate per circa 35 anni dal 1982 al 2017, quando l’Ufficio federale svizzero dell’energia (UFE) ha incaricato due scienziati, Alessandro Virtuani, ricercatore senior presso l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e Mauro Caccivio, direttore dello stesso SUPSI PVLab stesso, di analizzare l’enorme quantità di dati raccolti. “Abbiamo dovuto esaminare un’incredibile massa di carta e ci sono voluti quasi due anni per sistemare tutte le informazioni rilevanti”, ha detto Caccivio a pv magazine.

Pannelli in operazione da oltre 40 anni

L’impianto  è stato costruito a un costo di circa 284.000 franchi svizzeri (circa $ 288.000 euro di oggi) e i 288 moduli utilizzati per il progetto sono costati circa 21 franchi svizzeri (21,31 euro attualmente) per watt. I prodotti backsheet-vetro hanno una potenza di 37 W ciascuno e sono stati forniti da Arco Solar, che era stata acquisita prima dal gruppo tedesco Siemens prima e poi dal produttore di pannelli solari con sede in Germania SolarWorld nel 2007. “Quando i moduli sono stati acquistati nel 1980 , Arco Solar era uno dei maggiori produttori al mondo e aveva circa 1 MW di capacità produttiva annua”, ha precisato Caccivio.

Il sistema si basa sui moduli fotovoltaici forniti da Arco Solar. Immagine: SUPSI PVLab

Nonostante lo schema elettrico dell’impianto sia stato cambiato più volte, a seguito di sostituzioni degli inverter, tutti i moduli sono invecchiati insieme, sempre esposti all’esterno e alla luce del sole e mai sottoposti a interventi di revamping o cambiati, salvo pochissime eccezioni, in cui le scatole di giunzione e i diodi sdi bypass ono stati sostituiti.

“Questi moduli hanno una robustezza meccanica impressionante”, hanno sottolineato Virtuani e Caccivio, osservando, tuttavia, che il loro peso e le dimensioni meccaniche, così come lo spessore delle loro celle solari, non sono rappresentativi di ciò che potrebbe accadere a un pannello solare in termini di crepe in un impianto fotovoltaico realizzato con moduli prodotti oggi o negli ultimi anni. “Ma questi moduli possono dirci molto sulla penetrazione dell’umidità e sull’ingiallimento”, hanno affermato. “Ogni pannello è stato incapsulato con un backsheet in lamina d’acciaio che funge da barriera all’ingresso dell’acqua, che è racchiuso da strati di Tedlar su entrambi i lati”, hanno spiegato, aggiungendo che il prodotto, sebbene assomigli più alla struttura di un pannello vetro/vetro pannello piuttosto che quello di un tradizionale prodotto vetro/backsheet, è più vicino a quello che oggi definiremmo pannello vetro-vetro.

Le celle del modulo hanno un diametro di 102 mm.Immagine: SUPSI PVLab

I moduli hanno un’efficienza del 10%, una tensione a circuito aperto di 21,5 V, una corrente di corto circuito di 2,55 A e un fattore di riempimento del 68%. Ciascuno di essi misura 121,9 × 30,5 x 3,8 cm, pesa 4,9 kg e si basa su 35 celle monocristalline con un diametro di 102 mm. “Oggi le celle sono molto più sofisticate e possono includere strati di passivazione superficiale o strutture di patterning più complesse”, ha affermato Virtuani. “Questa complessità può potenzialmente rendere le cellule più deboli ed esporle a tassi di degradazione più elevati”.

Nel complesso, gli inverter sono stati cambiati cinque volte. I primi dispositivi, che erano stati forniti da Abacus controls, sono stati sostituiti dopo 10 anni con un nuovo prodotto di Invertomatic e anche il design del sistema è stato modificato, con stringhe più lunghe e il numero di moduli è stato leggermente ridotto. In una fase successiva sono stati installati gli inverter della tedesca SMA e il design del sistema è tornato alla sua configurazione originale con 288 moduli. I moduli solari sono gli unici componenti del sistema che non sono mai stati modificati.

Rendimenti diversi

Le prestazioni dei moduli non sono mai state le stesse per tutti i pannelli e i ricercatori sono stati in grado di suddividerli in tre gruppi: quelli più performanti che non hanno mostrato quasi nessun segno di ingiallimento e altri due gruppi con livelli medi e alti di ingiallimento. “Nel terzo gruppo l’ingiallimento è stato così intenso che alcuni pannelli hanno finito per avere un colore marrone”, ha detto Virtuani. “Le prestazioni elettriche a lungo termine e l’invecchiamento dei pannelli sono fortemente correlati ai rispettivi gruppi e al comportamento dell’incapsulante utilizzato per fabbricarli”.

L’analisi chimica eseguita negli ultimi anni ha confermato che i tre incapsulanti sono realizzati con gli stessi polimeri di base, ma i loro tre rispettivi fornitori hanno utilizzato additivi diversi nella formulazione dell’incapsulante, spiegando le diverse prestazioni. “Come in molti casi con le installazioni fotovoltaiche, il diavolo è nei dettagli”, ha affermato Virtuani. “Cambiando semplicemente un singolo elemento, in questo caso il fornitore dell’incapsulante, l’intera prestazione di un campo fotovoltaico può essere compromessa”, ha aggiunto. “Il che dimostra che la distinta base è importante. Molto!”

L’impianto fotovoltaico è in funzione da quasi 40 anni.Immagine: SUPSI PVLab

Poiché l’estrazione dei polimeri dal modulo è una tecnica distruttiva, i ricercatori hanno potuto condurre l’analisi chimica solo su un numero limitato di moduli, ma hanno escluso altre cause di degrado, in quanto l’ingiallimento è un problema che riguarda esclusivamente l’incapsulante materiali. “D’altra parte, i moduli non hanno mostrato segni di penetrazione di umidità”, ha spiegato Caccivio.

I tre incapsulanti erano tutti a base di polivinilbutirrale (PVB), un polimero termoplastico utilizzato fin dai primi anni ’80 per incapsulare i moduli fotovoltaici e da allora sostituito dall’etilene vinil acetato (EVA). “Un ex manager di Arco Solar ha confermato che, all’epoca, è probabile che l’incapsulante fosse PVB e che tre diversi fornitori di PVB fossero utilizzati dall’azienda”, hanno evidenziato gli scienziati.

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