Kurztitel:
AQUAM
Förderkennzeichen:
0325807A-C
Themen:
Ökonomie und Ökologie
Projektkoordination:
ZAE Bayern
Laufzeit gesamt:
Januar 2015 bis März 2018

Quintessenz

  • Drohne mit neuem Kamera- und automatisiertem Expertensystem untersucht und bewertet PV-Module im Feld
  • Die Forscherteams entwickelten ein Modell zur Leistungsbestimmung und –prognose sowie einen Fehlerkatalog für PV-Module
  • Neuer Teststand bietet Technik, um besseres Verständnis für das Verhalten bereits fehlerhafter PV-Module zu erhalten

Photovoltaikanlagen sind nach der Installation hohen Belastungen durch Temperaturschwankungen, Schneefall und Hagelschlag ausgesetzt. Der Einfluss dieser äußeren Umweltfaktoren ist von zentralem Interesse für die Bestimmung des Alterungsverhalten, der Materialermüdung und der Leistungsprognose von Photovoltaik-Modulen (PV-Module). Trotzdem gibt es kaum zuverlässige Methoden und Equipment, mit denen die zahlreichen Anlagenbetreiber sowohl in Deutschland aber auch international, die Leistung ihrer Module überwachen und auswerten können bzw. die Leistungsprognosen an Hand von Messdaten erstellen. Den Betreibern fehlen wichtige Parameter zur Einschätzung des Anlagenzustands und damit letztendlich der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Ziel des Projekts AQUAM war daher die Entwicklung eines Modells zur Leistungsprognose installierter PV-Module im Feld. Das Forscherteam entwickelte dazu ein flugfähige Kamera- und Expertensystem und ein Modell zur Leistungsbestimmung und-prognose von PV-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.

Abbildungen

Innovation

Ziel der Forscherteams war es, ein besseres Verständnis für die Degradation bereits fehlerhafter PV-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 PV-Anlagen. Außerdem entstanden ein Modell zur Leistungsbestimmung und -prognose sowie ein Fehlerkatalog. Für einzelne Mechanismen des Alterungsprozess konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Fehlermuster formulierten.

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 PV-Modulen im Feld.

Letzte Aktualisierung: 26.06.2019

Ausgewählte Publikationen

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