Belastungen durch Wetter 03.10.2013, 08:02 Uhr

Lebensdauer von Solarmodulen lässt sich jetzt genau berechnen

Die Lebensdauer von Solarzellen lässt sich sogar unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse verbindlich berechnen. Ein entsprechendes Verfahren haben Forscher des Fraunhofer-Instituts in Freiburg entwickelt.

Hersteller von Solarmodulen können künftig nicht mehr nur eine 25jährige Garantie auf ihre Produkte geben, sondern auch eine zuverlässige Angabe über die Lebensdauer machen. Bisher mussten die Module zwar bestimmte Belastungen aushalten, aber wie sich Umwelteinflüsse und Abnutzungen auf die Module auswirken, war bisher nicht bekannt.  

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben im Rahmen des vom Bundesumweltministerium geförderten Projektes „Zuverlässigkeit von PV-Modulen II“ ein neues Verfahren entwickelt, das die Folgen der Umwelteinflüsse und die Lebensdauer der Solarzellen berechnen kann.

Die Forscher haben ein kombiniertes Verfahren angewandt, um die Auswirkungen der Umwelteinflüsse wie Schneefall, Temperaturschwankungen und Wind auf die Lebensdauer der Solarmodule zu bewerten. In einem Feldtest wurde zuerst untersucht, welchen mechanischen Belastungen die Anlagen ausgesetzt werden können und welche Folgen diese Einflüsse haben. 

Schon leichter Wind erzeugt Schwingungen im Solarmodul

Die Freiburger Forscher statteten ein Solarmodul komplett mit Sensoren aus, um Widerstandsänderungen an der Oberfläche und Ausdehnungen genau messen zu können. Das Ergebnis der Datenauswertungen zeigte, dass bereits leichter Wind Schwingungen im Solarmodul auslöst. Diese Schwingungen nehmen noch zu mit dem Anstieg der Umgebungstemperatur.

Zudem für die Alterung der Module dazu, dass sie steifer und spröder werden, so dass die Schwingungsfrequenz mit der Zeit ansteigt. Es entstehen mechanische Spannungen und Dehnungen. Als Folge ermüdet das Material und wird anfällig für Schäden. Besonders betroffen davon sind das Einbettmaterial aus Kunststoff sowie die dünnen Bändchen aus Kupfer, die die Solarzellen miteinander verknüpfen, die sogenannten Zellverbinder. „Das ist, als würden sie eine Büroklammer immer auf und ab biegen. Irgendwann bricht sie“, erklärt der Werkstoffmechaniker Alexander Fromm.

Simulationsmodell zeigt Auswirkungen der Umwelteinflüsse

Um vorhersagen zu können, wie sich diese verschiedenen Umwelteinflüsse auf die Lebensdauer der Solarmodule auswirken, haben die Materialwissenschaftler ein detailliertes 3D-Simulationsmodell gebaut. „Wir haben anhand der Simulation beispielsweise herausgefunden, dass die UV-bedingte Versprödung eine weitaus größere Rolle bei der Materialermüdung spielt als bislang angenommen“, erklärt Fromm.

Aus den Ergebnissen der Feldtests können die Forscher nun die Folgen von Umwelteinflüssen einschätzen und mit den Messwerten des Feldversuches kombinieren, um belastbare Vorhersagen machen zu können, wann das Material des Solarmoduls so spröde wird, dass es bricht oder sich löst.

Das Messverfahren lässt sich nach Auskunft der Forscher ab sofort individuell für jedes Solarmodul einsetzen. Es sind lediglich genaue Kenndaten des Materials sowie Informationen zur Geometrie des Solarmoduls notwendig. Dabei muss jedes Solarmodul individuell getestet werden. „Unser Verfahren bietet keinen Massentest von der Stange, sondern wird individuell auf den jeweiligen Kunden abgestimmt“, so Fromm. Auch Verbesserungen zur Geormetrie und Material lassen sich vorhersagen.

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