Entwicklung von Zell-Mikrorissen unter Simulation

Entwicklung von Zell-Mikrorissen unter Simulation
von kombinierten Umwelteinflüssen
F. Reil, A. Sepanski, U. Hupach, G. Köppe,
F. Hohmann, N. Bogdanski, W. Vaaßen
[email protected]
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
Erste 3 – 5 Jahre
• Snail trails
• Zellbruch (Entstehungszeit?)
• Delamination
• Hot-spots
• PID
• LeTID
Source: SolarPower Europe
• etc.
Europe
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APAC
Americas
November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
China
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
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Ursprünge Mikrorisse
Woher und welche Auswirkung?
Sägevorgang
Schmelze
Löten
Handling
Schnee
Wind
Hagel
Thermomechanische
Zyklen
Reinigung
Feuern, Drucken
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Vibration
Drop
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Handling
Klemmung
Transport
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.
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Mikroriss = Makrofehler?
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?
Ursachenforschung durch Prüfung
Spannungsgeflecht: Abgrenzung von Risiken
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Investor
Betreiber
Hersteller
Versicherer
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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)
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Hauptproblem: Bewertung der Degradation
Norm vs. Alternativer Ansatz
+
−
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Test Prozeduren & Bewertung mit
IEC Anforderungen
Adaptierte Testprozeduren und
adaptierte Anforderungen
Standard Test-Bedingungen, etablierte
Prozeduren und Testmethoden, Allgemein
akzeptiert
Adaptierte Testbedingungen, angepasst an
tatsächlich auftretende Einflüsse und
Degradationstyp
Einfache Vergleichbarkeit
Allgemein akzeptierte Methoden
Kostensparend
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
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Entwicklung angepasster Alterungsmethoden
Kombinierte Umweltsimulation
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Labor
1. Jahr
10
2. Jahr
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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
2) 0°C...+30°C
3) +10°C...+40°C
Anzahl: 88 Zyklen
Anzahl: 88 Zyklen
Anzahl: 189 Zyklen
Summe:
Anzahl: 365 Zyklen
1 h/Zyklus || 16 Tage in Summe
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November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
15 sec/ Zyklus || 1,7h / Modul
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
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Modul mit starker Vorschädigung
Simulation im Labor über 3 und 5 Jahre
Ausgangszustand
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Erste Sequenz
~3 Jahre
Final (dritte Sequenz)
~5 Jahre
MPP Änderung:
-2,1 %
MPP Änderung:
-4,0 %
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Exkurs Transport
Schwingung des Moduls mit Eigenresonanz bei 11Hz
Leistungsdegradation: 7,96%
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Leistungsverluste aller Module
Ergebnisse nach Anlagenorientierter Laborprüfung
Abweichung der Leistung PMPP zur Eingangsleistung in %
Typ A
(2 Busbars)
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24.11.2016
Typ B
(3 Busbars)
Präsentation TÜV Rheinland
Typ C
(2 Busbars)
Typ D
Typ E
(2 Busbars) (2 Busbars)
Beispiel: Leistungsverluste von Typ C Modulen
Ergebnisse nach reiner Damp-Heat Prüfung
Modul mit starker Degradation (-9,1 %)
vorher
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24.11.2016
Präsentation TÜV Rheinland
nachher
Beispiel: Leistungsverluste von Typ E Modulen
Ergebnisse nach IEC Hagelschlag-Prüfung
Keine messbare Leistungsminderung
vorher
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24.11.2016
Präsentation TÜV Rheinland
nachher
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
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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
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Nach 2 Jahren Simulation
Ergebnisse 1 PV-Scan: EL-Aufnahmen
Überblick Ergebnisse nach 2 simulierten Jahren
Leistungsminderung innerhalb der Messtoleranz
Vor der Simulation
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November 2016 13. Workshop Modultechnik, TÜV Rheinland, Köln 2016
Nach 2 Jahren Simulation
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
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Ergebnisse sind u.a. im Rahmen
des Forschungsprojektes PV-Scan
erarbeitet worden. 0325588D
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