Solarmodule Vibrometer messen dynamische Eigenschaften von Solarmodulen

Solarmodule sollten nicht nur einen hohen Wirkungsgrad besitzen – für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems sind auch hohe mechanische Stabilität und Langlebigkeit gefragt. Vibrometer liefern hier wichtige Informationen.

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C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

Anton Paar Germany GmbH

Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Polytec PT GmbH

Werkstoffmodellierungen und Simulationen helfen, Belastungsszenarien und Prozesse für Werkstoffe und Bauteile im Rechner abzubilden und darauf aufbauend diese einsatzgerecht zu entwickeln und zu verbessern. Kombiniert man verschiedene Simulationsmethoden mit experimentellen Untersuchungen, können die Lebensdauer und die mechanischen Eigenschaften für ein neu entwickeltes Material sehr genau vorausberechnet werden. Am Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle werden mechanische Schwingungen von Solarmodulen gemessen, um durch konstruktive Optimierungen eine größtmögliche Stabilität und Betriebsdauer erreichen zu können.

Die Messung dynamischer Eigenschaften mit dem Polytec-Scanning-Laser-Vibrometer PSV 400 ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren und ermöglicht neben der Ermittlung von Resonanzfrequenzen und Schwingformen auch die Berechnung von Materialparametern wie Steifigkeit oder Dämpfung. Abbildung 2 zeigt die über alle Messpunkte gemittelten Eigenfrequenzen eines Solarmoduls. Auch Schädigungen, wie Rissbildung und Delaminationen der Verkapselungsmaterialien können erkannt werden.

Laserstrahl misst die Bewegungen berührungslos

Bei der Schwingungsmessung mit dem PSV 400 kann durch einen Laserstrahl berührungslos und rückwirkungsfrei in einem Messfeldraster die Bewegung des Moduls bestimmt werden. Durch diese Messung an vielen definierten Messpunkten können die Schwingungen des Moduls visualisiert werden (s. Abb. 3). Die Schwingungen des PV-Moduls können in jeder gewünschten Lagerung ermittelt werden. Die Schwingungserregung erfolgt über Piezoanregung, Hammerschlag oder Schallwellen.

Mit dem am Fraunhofer CSP vorhandenen Aufbau können PV-Module bis etwa 2 m² vermessen werden. Das Vibrometer besitzt als Zusatzausstattung eine Geometrie-Scaneinheit, mit der die Deformationen der PV-Module ebenfalls berührungslos gemessen werden können. Eine Schwingungsanregung ist über einen weiten Frequenzbereich möglich. Es können Frequenzen zwischen 0 Hz und 2,5 MHz und Geschwindigkeiten bis 10 m/s gemessen werden.

In Abbildung 3 sind die Schwingformen einer ausgewählten Resonanzfrequenz im Vergleich mit der jeweiligen Simulation dargestellt. Die Frequenzen stimmen recht gut überein und bestätigen damit das zugrundeliegende Simulationsmodell. Eine Optimierung der Festigkeit und damit der Lebensdauer ist dann unter anderem durch Variation der Abmessungen oder der Aufhängungspunkte des Solarmoduls möglich.

Alterungstests ermitteln Langzeitverhalten von Solarmodulen

Durch die genaue Kenntnis von Resonanzfrequenzen, können die PV-Module gezielt für ihren Einsatz optimiert werden. Resonanz im Betrieb sollte vermieden werden, da dies zu mechanischen Schädigungen führt. Um das Langzeitverhalten von PV-Modulen zu untersuchen, werden beschleunigte Alterungstests durchgeführt, durch:

• Aufbringen von konstanten und dynamischen Flächenlasten,

• Bewitterung in Klimakammern oder

• Bestrahlung mit UV-Licht.

Anschließend werden die mechanischen Parameter bestimmt, ausgewertet und interpretiert. Für die elektrische Prüfung der PV-Module stehen weitere zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Verfügung (Elektro-Lumineszenz, Lock-In-Thermographie). Mit den ermittelten Ergebnissen werden Lebensdauerkonzepte entwickelt um gezielt Optimierungen am Moduldesign vornehmen zu können.

Als weitere Forschungsaufgabe werden am Fraunhofer CSP Polymere als Verkapselungsmaterialien untersucht. Durch die geeignete Wahl eines Verkapselungsmaterials lassen sich die Steifigkeit und die Dämpfungseigenschaften eines PV-Moduls beeinflussen und optimieren. Zur genauen Analyse verschiedener Verkapselungsmaterialien für PV-Module werden neben rheologischen Untersuchungen ebenfalls dynamische Messungen an speziell laminierten Glas-Polymer-Glas-Laminaten durchgeführt. An diesen können ebenfalls beschleunigte Alterungstests unter Beobachtung der Änderung der dynamischen Eigenschaften durchgeführt werden.

Vibrometer liefern Daten schnell und zerstörungsfrei

Mit dem Vibrometer können die mechanischen Eigenschaften von PV-Modulen schnell und zerstörungsfrei bestimmt werden. Es lassen sich Veränderungen aufgrund unterschiedlichster Einflüsse erkennen. Dadurch eignet sich die dynamische Messung als Messverfahren für Forschung im Labor, für die Qualitätssicherung bereits während der Fertigung oder als Inspektionsmittel, beispielsweise in Freifeldanlagen.

* Dr. M. Ebert, M. Sander: Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

* *Dr. R. Behrendt, Dr. H. Steger: Polytec GmbH, 76337 Waldbronn

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