Photovoltaik
Photovoltaik: Leistung von Modulen bestimmen
Photovoltaikanlagen sind nach der Installation hohen Belastungen durch Temperaturschwankungen, Schneefall und Hagelschlag ausgesetzt. Der Einfluss dieser äußeren Umweltfaktoren ist von zentralem Interesse, um Alterungsverhalten, Materialermüdung und Leistungsprognose von Photovoltaik-Modulen zu bestimmen. Trotzdem gibt es kaum zuverlässige Methoden mit denen Anlagenbetreiber, die Leistung ihrer Module überwachen und auswerten sowie Leistungsprognosen an Hand von Messdaten erstellen können. Den Betreibern fehlen wichtige Parameter, um den und damit letztendlich die Wirtschaftlichkeit einzuschätzen. Daher war das Ziel des Projekts AQUAM ein Modell zur Leistungsprognose installierter Photovoltaik-Module im Feld zu entwickeln. Das Forscherteam entwickelte dazu ein flugfähige Kamera- und Expertensystem und ein Modell zur Leistungsbestimmung und-prognose von Photovoltaik-Modulen.
Projektkontext
In der Vergangenheit entwickelten Forscherteams verschiedenste Verfahren, um Fehler in PV-Modulen zu charakterisieren. Ein Großteil der bisherigen Erkenntnisse beruht auf Laboruntersuchungen wie beispielsweise Sonnensimulator, Elektrolumineszenz (EL)-Messungen und Infrarot-Thermographie, die es ermöglichen, unter stabilen und bekannten Bedingungen zu messen.
Die Ursachen und Auswirkungen von Zellrissen, Zellbrüchen, Lötfehlern etc. sind Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen. PV-Module unterliegen einem Alterungsprozess, der in künstlich beschleunigten Alterungstests untersucht wird, beispielsweise damp heat.
Bildgebende Methoden, wie Thermographie und Elektrolumineszenz, sind zur Visualisierung und Lokalisierung von Fehlern bekannt. Was fehlt, ist eine effiziente Inspektion mit einer automatisierten Bildauswertung und einem besseren Verständnis detektierter Auffälligkeiten und damit verbundener Modulfehler.
Forschungsfokus
Von zentraler Bedeutung für das Forschungsvorhaben AQUAM war die Untersuchung und Charakterisierung installierter Module im Feld. Im Gegensatz zur Analyse im Labor können Transport und Demontage sowie Handling zu Schäden an den Modulen führen. Untersuchungen bei wechselnden Umgebungsbedingungen bedeuten, verglichen zu konstanten Messbedingungen im Labor, eine deutlich größere Herausforderung.
Wie verhalten sich PV-Module unter realen Betriebsbedingungen und wie beeinflussen diese den Alterungsprozess der Module? Die Degradation auf Basis realer Betriebsbedingungen zu testen, ist ausschließlich im Feld gegeben. Je nach Standort und Installation herrschen, im Gegensatz zu künstlichen, beschleunigten Alterungstests (beispielsweise damp heat), unterschiedliche Bedingungen. Ziel ist eine möglichst realitätsnahe Belastungssimulation und ein Vergleich mit Feldmessungen, um ein Modell zur Leistungsprognose für fehlerhafte, installierte PV-Module zu entwickeln.
© ZAE Bayern
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Innovation
Ziel der Forscherteams war es, ein besseres Verständnis für die Degradation bereits fehlerhafter Photovoltaik-Module unter realen Betriebsbedingungen (Schnee-, Windlasten) zu erhalten. Dies können beispielsweise feinste Risse sein. Mit Hilfe eines neuen Teststands analysierten sie das Modul gezielt zum einen unter Belastung und zum anderen im entlasteten Zustand. Überrascht hat, dass sich Risse unter Belastung öffnen und die Leistung des Moduls verringern. Im entlasteten Zustand schließen sich die Risse wieder und die Leistung erreicht ihren Ursprungswert.
Neue Risse entstehen erst bei sehr hohen Belastungen, beispielsweise große Schneehöhen und unter äußerst extremen Orkanbedingungen. Auch hier gilt, die Leistung nimmt unter der Belastungen ab. Sobald diese nachlässt, erreicht die Leistung wieder den Ursprungswert. Diese Erkenntnisse decken sich mit den Ergebnissen rissbehafteter Module, die die Projektpartner fast drei Jahre im Feldbetrieb beobachteten.
Ergebnisse
Das Forscherteam entwickelte ein flugfähiges Kamerasystem und ein automatisiertes Expertensystem sowie regelmäßige, wiederkehrende Infrarot- und Elektrolumineszenz-Inspektionen spezifizierter Photovoltaikanlagen. Außerdem entstanden ein Modell zur Leistungsbestimmung und -prognose sowie ein Fehlerkatalog. Für einzelne Mechanismen des Alterungsprozess konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Fehlermuster formulierten.
© ZAE Bayern
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Praxistransfer
Ein funktionsfähiger Demonstrator bestehend aus Drohne mit Kamera- und Expertensystem ermöglicht es, Inspektionen von PV-Modulen erfolgreich durchzuführen. Die entwickelte Software setzen die Partner bereits im experimentellen Umfeld ein, um Elektrolumineszenz-Aufnahmen auszuwerten und zu analysieren.
Das Produkt, Drohne mit Kamera- und Expertensystem, richtet sich an Anlagenbetreiber, Wartungsunternehmen und Gutachter zur Identifikation und Lokalisierung relevanter Fehler in Photovoltaik-Modulen im Feld.
Letzte Aktualisierung: 26.06.2019
