Simulation des Einflusses von Zellbrüchen auf die Leistung von PV-Anlagen, basierend auf Bruchdaten einer Freifeldanlage

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1 12. Workshop Photovoltaik-Modultechnik , TÜV Rheinland, Köln Simulation des Einflusses von Zellbrüchen auf die Leistung von PV-Anlagen, basierend auf Bruchdaten einer Freifeldanlage A. Morlier, F. Haase, M. Köntges

2 Rissursachen Produktion - Behandlung - Löten Transport & Installation - Schwingungen - Stöße Mechanische Belastung im Feld - Schnee - Wind - Thermische Zyklen 1 IEA-PVPS Report T13-01:2014, Review of Failures of Photovoltaic Modules

3 Rissursachen Produktion - Behandlung - Löten Transport & Installation - Schwingungen - Stöße Mechanische Belastung im Feld - Schnee - Wind - Thermische Zyklen R. Köpge, S. Schönfelder, T. Giesen, C. Fischmann, Einfluss dynamischer Handhabungsprozesse auf die Festigkeit von Siliziumwafern, SiThinSolar Statusworkshop, Halle 2011 ISFH

4 Rissursachen Produktion - Behandlung - Löten Transport & Installation - Schwingungen - Stöße Mechanische Belastung im Feld - Schnee - Wind - Thermische Zyklen A. M. Gabor, M. M. Ralli,L. Alegria, C. Brodonaro, J. Woods, L. Felton, Soldering induced damage to thin Si solar cells and detection of cracked cells in modules, Proc. of 21st EUPVSEC (WIP, Dresden, Germany, 2006) J. Wendt, M. Träger, M. Mette, A. Pfennig, B. Jäckel, The Link Between Mechanical Stress Induced by Soldering and Micro Damages in Silicon Solar Cells, Proc. Of 24th EUPVSEC (WIP, Hambrug, Germany, 2009) ISFH

5 Rissursachen Produktion - Behandlung - Löten Transport & Installation - Schwingungen - Stöße Mechanische Belastung im Feld - Schnee - Wind - Thermische Zyklen F. Reil, K. Strohkendl, J. Althaus, W. Vaassen, Mechanische Beanspruchungen für PV Module Transportbelastungen, 6. Workshop Photovoltaik-Modultechnik, (TÜV Rheinland, Köln, Germany, 2009) S. Pingel, Y. Zemen, T. Geipel, J. Berghold, Mechanical stability of solar cells within solar panels, in: Proceedings of 24th EUPVSEC, M. Köntges, S. Kajari-Schröder, I. Kunze, U. Jahn, Crack statistics of crystalline silicon photovoltaic modules, Proc. 26th EUPVSEC (WIP, Hamburg, Germany, 2011) 4EO.3.6 ISFH

6 Rissursachen Produktion - Behandlung - Löten Transport & Installation - Schwingungen - Stöße Mechanische Belastung im Feld - Schnee - Wind - Thermische Zyklen M. Sander, B. Henke, S. Schweizer, S. Dietrich, M. Pander, M. Ebert, J. Bagdahn, Systematische Untersuchung der Rissentstehung und des Rissfortschritts in eingebetteten Solarzellen, in: 26th Symposium Photovoltaische Solarenergie, M. Assmus, S. Jack, K.-A. Weiss, M. Koehl, Measurement and simulation of vibrations of PV-modules induced by dynamic mechanical loads, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, doi: /pip.1087, S. Kajari-Schröder, I. Kunze, U. Eitner, M. Köntges, Spatial and orientational distribution of cracks in crystalline photovoltaic modules generated by mechanical load tests,sol. Energy Mater. Sol. Cells (2011),doi: /j.solmat

7 Ausblick Ziel: Risserzeugte PV Modul-Leistungsverluste simulieren, basiert auf Feldstatistik Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

8 Modelschaltkreis zur Modulsimulation Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

9 Modellschaltkreis: Modul 2 Dioden Modell für jede Zelle 1,2 LT Spice zur Simulierung DurchbruchspannungV b = -15 V 60 Zellen-Modul 3 Strings aus 20 serienverschalteten Zellen mit Bypassdioden Einfügen von gebrochenen Zellen Zellenersatzschaltbild see Eq. (1) * D A R p j s D 1 D 2 Symbol: R s V i V 1 M.C. Alonso-Garcia et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, 2006, M. Köntges et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 95, 2011,

10 Modellschaltkreis: Zellbruch Modell für gebrochene Zellen A active R b A broken Risswiderstand R b verbindet die abgebrochene Zellfläche A broken mit der verstringten Zellfläche A active

11 Bruchstatistik aus dem Feld Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

12 Zellrisshäufigkeit Daten aus 574 PV Modulen nach 2 Jahren im Feld 1 UV Fluoreszenz Methode Verteilung der Module nach Anzahl der gerissenen Zellen Jede Zelle hat eine gegebene Risswahrscheinlichkeit, abhängig von ihrer Position Häufigkeit P N [%] Wahrscheinlichkeit [%], dass eine gegebene Zelle bricht Anzahl der gerissenen Zellen im Modul 1 M. Köntges et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 3, 2013,

13 Risstypen und Verteilung Riss Verschiedene Rissmuster Bevorzugte Rissmuster, abhängig von der Position der Zelle

14 Risstypen und Verteilung Typ 1: Dendritisch (Trummerbruch) Typ 2: Mehrere Richtungen Typ 3: Typ 4: Wahrscheinlichkeit [%], dass eine gerissene Zelle ein gegebenes Rissmuster aufweist. Typ 5: Parallel zum Busbar Typ 6: Senkrecht to busbar Typ 7: Kreuzrisse

15 Definition der abgetrennten Fläche Abgetrennte Fläche A broken [%] Jedes Rissmuster generiert eine unterschiedliche abgetrennte Fläche An Solarzellen gemessen Simulation mit Werten dieser gemessenen Verteilung Risstyp

16 Risskanten Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

17 Risswiderstand Was ist an Risskanten los? Biegeversuch mit Widerstandsmessung auf Metallisierung 2 1 J. Käsewieter et al., Energy Procedia, 55, 2014, J. Käsewieter et al., IEEE JPV 2015, In Press.

18 Risswiderstand Was ist an Risskanten los? Biegeversuch mit Widerstandsmessung auf Metallisierung 2 Risswiderstand im entlasteten Zustand nimmt mit Zyklenanzahl zu ρ b [0.2;200] Ωcm 1 J. Käsewieter et al., Energy Procedia, 55, 2014, J. Käsewieter et al., IEEE JPV 2015, In Press.

19 Einfluss von R b auf Module mit Zellrissen Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

20 Einfluss des Risswiderstands Normierte Ausgangsleistung P MPP [%] 1000 Module pro R b Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand 50 % Mittelwert 25 % 10 % 5 % Abnahme der Leistung mit R b im Bereich [0.1;10] Ω R b > 10 Ω: totale Abtrennung Risswiderstand R b [Ω]

21 Einfluss des Risswiderstands Normierte Ausgangsleistung P MPP [%] 1000 Module pro R b 20 % der Module P MPP < 80% 50 % Mittelwert 25 % 10 % 5 % Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand Abnahme der Leistung mit R b im Bereich [0.1;10] Ω R b > 10 Ω: totale Abtrennung Bruchwiderstand Risswiderstand RR b [Ω] b [Ω]

22 Einfluss des Risswiderstands Normierte Ausgangsleistung P MPP [%] 20 % der Module P MPP < 80% Gemessene R b 50 % Mittelwert 25 % 10 % 5 % Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand Abnahme der Leistung mit R b im Bereich [0.1;10] Ω R b > 10 Ω: totale Abtrennung Biegeversuch: R b [0.01;10] Ω Risswiderstand R b [Ω]

23 Wirkung der Risse auf Modulstrings Risshäufigkeit Modulleistung Beurteilung abgetrennter Zellfläche Risskanten Modellschaltkreis Stringleistung

24 Simulation von Modulstrings Module sind üblicherweise serienverschaltet im Feld Serienverschaltung Alle Module haben den gleichen Strom im Betrieb Leistung ist nicht die Summe der einzelnen Modulleistungen Wie stark ist die Leistung der Modulstrings betroffen?

25 Normierte Normierte Ausgangsleistung Leistung PMPP [%] PMPP [%] Leistungsverluste von Strings 1000 simulierte Module Willkürlich verschaltet in 1000 Strings à 20 Module 20% : P MPP < 80% 25%: P MPP < 80% Normierte Ausgangsleistung PMPP [%] Risswiderstand R b [Ω] Risswiderstand R b [Ω]

26 Leistungsverluste von Strings Maximale, theoretische Leistung P theoretical = 4555 W Normierte Ausgangsleistung P MPP [%] 5% der Strings P MPP < 80 % Für R b 1 Ω: kein String mit nomineller Leistung Symmetrische Verteilungen der P MPP Risswiderstand R b [Ω]

27 Leistungsverluste von Strings Maximale, theoretische Leistung P theoretical = 4555 W Häufigkeit n [%] Verteilung zentriert auf einen Leistungsverlust von 12% 5% der Modulstrings unter 80% der nominellen P MPP 5% der Strings P MPP < 80 % Normierte Ausgangsleistung P MPP [%]

28 Zusammenfassung Rissbehaftete Module verhalten sich abhängig von dem Risswiderstand R b am Zellriss Simulationen basierend auf Bruchstatistik aus dem Feld zeigen signifikante Leistungsverluste bei Bruchwiderständen größer als 0.1 Ω Worst case scenario: - 20% der einzelnen Module liefern weniger als die garantierte Leistung von 80% P MPP - 5% der Modulstrings liefern weniger als 80% P MPP

29 Danksagung Frau Dr. S. Kajari-Schröder, Frau I. Kunze, Herr Dipl. Phys. J. Käsewieter, ISFH Das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Innovationsallianz: MIKRO 03SF0419A Danke für Ihre Aufmerksamkeit