Entwicklung von Zell-Mikrorissen unter Simulation von kombinierten Umwelteinflüssen F. Reil, A. Sepanski, U. Hupach, G. Köppe, F. Hohmann, N. Bogdanski, W. Vaaßen florian.reil@de.tuv.com TÜV Rheinland Energy GmbH Bildquelle: wirtgen-group.com
Wie früh ist frühzeitige Degradation? Häufig beobachtete Effekte: Eine hohe Anzahl von Anlagen zeigen deutliche Degradationen. Yellowing Source: SolarPower Europe Erste 3 5 Jahre Europe APAC Americas China Snail trails Zellbruch (Entstehungszeit?) Delamination Hot-spots PID LeTID etc. 2 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Ausflug in die Literatur Was ist ein Mikroriss? Fehlerbild bei kristallinen Zellen Kristallisationsprozess / Abkühlung der Schmelze Eigenspannungen durch Körner Abgrenzung durch natürliche Mikrorisse: Störung der Kristallstruktur im Mikrometerbereich (mit dem Auge nicht sichtbar) Hilfsmittel: Elektrolumineszenz Elektroluminezenz oder Destriau-Effekt: Anregen eines Festkörpers durch Anlegen einer elektrischen Spannung, bei der Licht (kristallin: Infrarot) emittiert wird Die Röntgenlupe der Photovoltaik 3 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Ursprünge Mikrorisse Woher und welche Auswirkung? Sägevorgang Schmelze Löten Handling Reinigung Feuern, Drucken Schnee Wind Hagel Thermomechanische Zyklen Vibration Drop Handling Klemmung Transport 4 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Degradationmuster Modulfehler im Feld Bewertung von im Feld auftretenden Degradationen Bewertung des jetztigen Status und der zukünftigen Entwicklung: Snail-Trails Glaskorrosion / ARC Degradation Degradation von Dünnschichtmodulen Hot-spots / Bypass-Dioden Ausfall Probleme Zellverbinder PID etc. 5 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Mikroriss = Makrofehler?? 6 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Ursachenforschung durch Prüfung Spannungsgeflecht: Abgrenzung von Risiken Investor Betreiber Hersteller Versicherer 7 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Bewertung von Degradation Glaskugel oder Vorhersehbar? Klassifzierung Degradation Ableitung Prüfprozedur Loss Prediction Degradationstyp Anzahl betroffener Module Verteilung der Degradation innerhalb der Anlage Bestimmung statistisch relevanten Modulanzahl Auswahl geeigneter Stresstests Bestimmung aussagekräftiger Analysemethoden Aussage über möglichen Degradationsverlauf Potentielle zukünftige Performanceeinbußen Mögliche Gründe für Degradation Ermittlung Verkaufswert (durch Dritte) 8 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Hauptproblem: Bewertung der Degradation Norm vs. Alternativer Ansatz + Test Prozeduren & Bewertung mit IEC Anforderungen Standard Test-Bedingungen, etablierte Prozeduren und Testmethoden, Allgemein akzeptiert Einfache Vergleichbarkeit Allgemein akzeptierte Methoden Kostensparend Adaptierte Testprozeduren und adaptierte Anforderungen Adaptierte Testbedingungen, angepasst an tatsächlich auftretende Einflüsse und Degradationstyp Kann an Standort angepasst werden Degradation spezifische Prozesse Alle Degradationstypen können behandelt werden Vorherige Bewitterung der Module beeinträchtigt Aussagekraft Muster werden u.u. überstrapaziert Nicht alle Degradationstypen werden abgedeckt Vielzahl unterschiedlicher Prozeduren Ergebnisse werden u.u. vom Hersteller nicht anerkannt Teilweise hohe Kosten 9 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Entwicklung angepasster Alterungsmethoden Kombinierte Umweltsimulation Labor 1. Jahr 2. Jahr 10 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Temperaturhübe und Windlasten Anpassung der Simulation nah an Realumgebungen Simulation von einem Jahr: Temperaturgradienten Windhübe (Staudrücke) Thermische Zyklen (TC) mit jeweils 30K: 1) -10 C...+20 C Anzahl: 88 Zyklen 2) 0 C...+30 C Anzahl: 88 Zyklen 3) +10 C...+40 C Anzahl: 189 Zyklen Summe: Anzahl: 365 Zyklen 1 h/zyklus 16 Tage in Summe 15 sec/ Zyklus 1,7h / Modul 11 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Beispiel Hagelschaden Mikrorissbildung durch Hagelschläge Hintergrund: Freiflächenanlage Zahlreiche Module durch Hagelschlag betroffen Auswahl zur Prüfung: 5 Modultypen mit jew. 6 Modulen Fragestellung: Fortentwicklung von Schäden mit Performanceverlusten Vergleich zu IEC-Prüfung (Damp-Heat) Brisanz: Austausch bedeutet hohe Kosten (inkl. Ausfallzeiten) Lokale EL-Aufnahmen dokumentieren nur den Mikroriss Herkunft der Risse ungeklärt EL zeigte auch die Unterschiede in den Zellqualitäten (Vorschädigung) Auswirkung auf Performanceentwicklung unklar 12 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Modul mit starker Vorschädigung Simulation im Labor über 3 und 5 Jahre Ausgangszustand Erste Sequenz ~3 Jahre MPP Änderung: -2,1 % Final (dritte Sequenz) ~5 Jahre MPP Änderung: -4,0 % 13 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Exkurs Transport Schwingung des Moduls mit Eigenresonanz bei 11Hz Leistungsdegradation: 7,96% 14 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Leistungsverluste aller Module Ergebnisse nach Anlagenorientierter Laborprüfung Abweichung der Leistung P MPP zur Eingangsleistung in % Typ A (2 Busbars) Typ B (3 Busbars) Typ C (2 Busbars) Typ D (2 Busbars) Typ E (2 Busbars) 15 24.11.2016 Präsentation TÜV Rheinland
Beispiel: Leistungsverluste von Typ C Modulen Ergebnisse nach reiner Damp-Heat Prüfung Modul mit starker Degradation (-9,1 %) vorher nachher 16 24.11.2016 Präsentation TÜV Rheinland
Beispiel: Leistungsverluste von Typ E Modulen Ergebnisse nach IEC Hagelschlag-Prüfung Keine messbare Leistungsminderung vorher nachher 17 24.11.2016 Präsentation TÜV Rheinland
Beispiel: Referenzanlagen aus PV-Scan Rundvergleich über verschiedene Anlagen Hintergrund: Modulentnahme (paarweise) aus verschiedenen Solarparks Identifizierte wiederkehrende Fehler: Frontgridfehler Mikrorisse Zellbrüche Lötfehler 8 Fehlergruppen mit insgesamt 23 Modulpaaren Zusätzlich: 2 Hagelmodule Aufgabe: Anwendung des Alterungsansatzes im Labor und Vergleich mit weiterer Realexponierung 18 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Beispiel: Referenzanlagen aus PV-Scan Rundvergleich über verschiedene Anlagen Bei allen Modulpaaren sind aktuell noch keine signifikanten Leistungsänderungen feststellbar (im Bereich der Messtoleranz) Trotzdem signifikante optische Änderungen im Bereich der Rissbildung und Unterbrechung von Kontakten Noch keine Langzeitaussage möglich Weitere Ergebnisse Anfang 2017
Ergebnisse 1 PV-Scan: EL-Aufnahmen Überblick Ergebnisse nach 2 simulierten Jahren Leistungsminderung <1% Vor der Simulation Nach 2 Jahren Simulation 20 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Ergebnisse 1 PV-Scan: EL-Aufnahmen Überblick Ergebnisse nach 2 simulierten Jahren Leistungsminderung innerhalb der Messtoleranz Vor der Simulation Nach 2 Jahren Simulation 21 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Zusammenfassung Mikrorissvorschädigungen verändern sich während thermischer und mechanischer Belastungszyklen Nicht jedes Modul mit Mikrorissen durch Hagel erzeugt signifikante Leistungseinbußen Modulqualität i.a. ist mitentscheidend: Qualität der Zellen, Materialkomposition Hagelschlag bedeutet nicht gleich Austausch der Module Auch klassische IEC-Prüfungen sind notwendig, um Mindestqualität nach Norm zu untersuchen Entwickelte TÜV Rheinland-Methode hilft Anlagenorientierte Prüfung als Simulation der Realbewitterung anzuwenden Rissbildung und entwicklung basiert auf verschiedenen Voraussetzungen: Pauschalaussagen und Momentaufnahmen im Feld helfen nicht Systematik zur Modulauswahl und realistische Belastungen helfen Fortentwicklung von Rissen zu untersuchen 22 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ergebnisse sind u.a. im Rahmen des Forschungsprojektes PV-Scan erarbeitet worden. 0325588D 23 November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016