Simulation des Einflusses von Zellbrüchen auf die Leistung ... · 12. Workshop...

12. Workshop „Photovoltaik-Modultechnik“13.11.15, TÜV Rheinland, Köln

Simulation des Einflusses von Zellbrüchen auf die

Leistung von PV-Anlagen, basierend

auf Bruchdaten einer Freifeldanlage

A. Morlier, F. Haase, M. Köntges

Rissursachen

• Produktion- Behandlung- Löten

• Transport & Installation- Schwingungen- Stöße

• Mechanische Belastung im Feld- Schnee- Wind- Thermische Zyklen

1 IEA-PVPS Report T13-01:2014, Review of Failures of Photovoltaic Modules

Rissursachen

R. Köpge, S. Schönfelder, T. Giesen, C. Fischmann, Einfluss dynamischerHandhabungsprozesse auf die Festigkeit von Siliziumwafern, SiThinSolar –Statusworkshop, Halle 2011

ISFH




RissursachenA. M. Gabor, M. M. Ralli,L. Alegria, C. Brodonaro, J. Woods, L. Felton, “Soldering induced damage to thin Si solar cells and detection of cracked cells in modules”, Proc. of 21st EUPVSEC (WIP, Dresden, Germany, 2006) 2042-2047J. Wendt, M. Träger, M. Mette, A. Pfennig, B. Jäckel, “The Link Between Mechanical Stress Induced by Soldering and Micro Damages in Silicon Solar Cells”, Proc. Of 24th EUPVSEC (WIP, Hambrug, Germany, 2009) 3420-3423

ISFH




Rissursachen

F. Reil, K. Strohkendl, J. Althaus, W. Vaassen, “Mechanische Beanspruchungen für PV Module – Transportbelastungen“, 6. Workshop – Photovoltaik-Modultechnik, (TÜV Rheinland, Köln, Germany, 2009)

ISFH

M. Köntges, S. Kajari-Schröder, I. Kunze, U. Jahn, Crack statistics of crystalline silicon photovoltaic modules, Proc. 26th EUPVSEC (WIP, Hamburg, Germany, 2011) 4EO.3.6

S. Pingel, Y. Zemen, T. Geipel, J. Berghold, Mechanical stability of solar cells within solar panels, in: Proceedings of 24th EUPVSEC, 2009.




RissursachenM. Sander, B. Henke, S. Schweizer, S. Dietrich, M. Pander, M. Ebert, J. Bagdahn, Systematische Untersuchung der Rissentstehung und des Rissfortschritts in eingebetteten Solarzellen, in: 26th Symposium Photovoltaische Solarenergie, 2011.

S. Kajari-Schröder, I. Kunze, U. Eitner, M. Köntges, Spatial and orientationaldistribution of cracks in crystalline photovoltaic modules generated by mechanical load tests ,Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2011),doi: 10.1016/j.solmat.2011.06.032

M. Assmus, S. Jack, K.-A. Weiss, M. Koehl, Measurement and simulation of vibrations of PV-modules induced by dynamic mechanical loads, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, doi:10.1002/pip.1087, 2011.




Ausblick

• Ziel: Risserzeugte PV Modul-Leistungsverluste simulieren, basiert auf Feldstatistik

Risshäufigkeit

Beurteilung abgetrennter

ZellflächeModellschaltkreis

Modulleistung

StringleistungRisskanten

Modelschaltkreis zur ModulsimulationRisshäufigkeit



Modulleistung


Modellschaltkreis: Modul

1M.C. Alonso-Garcia et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, 2006, 1105–11202M. Köntges et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, 95, 2011, 1131-1137

• 2 Dioden Modell für jede Zelle1,2

• LT Spice zur Simulierung• DurchbruchspannungVb = -15 V

• 60 Zellen-Modul• 3 Strings aus 20

serienverschalteten Zellen mit Bypassdioden

• Einfügen von gebrochenen Zellen

Symbol:

Rs

D1 D2RpDA js

see Eq. (1)

Vi V *

Zellenersatzschaltbild

Modellschaltkreis: Zellbruch

Modell für gebrochene Zellen

• Risswiderstand Rb verbindet die abgebrochene Zellfläche Abroken mit der verstringten Zellfläche Aactive

Rb

Aactive

Abroken

Bruchstatistik aus dem Feld

Risshäufigkeit



Modulleistung


2.8 2.3 2.3 1.0 3.7 2.4 3.0 5.1 1.7 4.51.4 5.4 7.1 5.7 5.6 4.5 8.2 8.9 9.1 1.41.4 4.5 6.8 5.7 5.7 9.1 7.3 7.0 5.2 1.20.7 4.0 4.4 5.7 6.8 5.1 8.9 4.4 5.4 2.41.2 5.7 3.0 7.8 4.4 5.4 4.2 4.0 5.6 2.81.7 1.2 1.0 1.6 1.4 1.4 2.3 1.4 1.4 2.6

Zellrisshäufigkeit

Verteilung der Module nach Anzahl der gerissenen Zellen

Jede Zelle hat eine gegebene Risswahrscheinlichkeit,abhängig von ihrer Position

Wahrscheinlichkeit [%], dass eine gegebene Zelle bricht

1M. Köntges et al., IEEE Journal of Photovoltaics, 3, 2013, 95-101.

• Daten aus 574 PV Modulen nach 2 Jahren im Feld1

• UV Fluoreszenz Methode

Häu

figke

it P

N[%

]

Anzahl der gerissenen Zellen im Modul

Riss

Risstypen und Verteilung

• Verschiedene Rissmuster• Bevorzugte Rissmuster, abhängig von

der Position der Zelle

Wahrscheinlichkeit [%], dass eine gerissene Zelle ein gegebenes Rissmuster aufweist.

Risstypen und Verteilung

Typ 1: Dendritisch (Trummerbruch)0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.00.0 6.5 4.9 0.0 0.0 0.0 2.1 2.0 5.8 0.00.0 3.8 0.0 0.0 0.0 3.8 2.4 5.0 6.7 0.00.0 0.0 4.0 0.0 0.0 0.0 0.0 4.0 0.0 0.00.0 0.0 0.0 4.4 0.0 3.2 16.7 8.7 3.1 0.00.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Typ 2: Mehrere Richtungen0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 7.1 0.0 6.9 20.0 0.012.5 12.9 31.7 15.2 40.6 53.8 34.0 21.6 32.7 0.00.0 26.9 17.9 21.2 21.2 25.0 19.0 27.5 43.3 0.00.0 30.4 4.0 21.2 48.7 34.5 37.3 16.0 16.1 7.114.3 24.2 35.3 35.6 40.0 58.1 37.5 30.4 31.3 25.00.0 14.3 0.0 22.2 12.5 0.0 0.0 25.0 12.5 0.0

Typ 3: 45°6.3 7.7 0.0 16.7 0.0 7.1 29.4 0.0 50.0 34.60.0 6.5 4.9 12.1 6.3 7.7 14.9 15.7 25.0 37.50.0 19.2 17.9 18.2 15.2 15.4 11.9 20.0 3.3 0.025.0 21.7 24.0 18.2 12.8 17.2 15.7 16.0 12.9 0.042.9 33.3 23.5 31.1 20.0 6.5 0.0 8.7 0.0 6.340.0 57.1 50.0 22.2 25.0 0.0 0.0 0.0 12.5 6.7Typ 4:‐45°62.5 30.8 15.4 0.0 23.8 7.1 0.0 3.4 0.0 7.712.5 35.5 19.5 9.1 15.6 7.7 12.8 5.9 9.6 0.037.5 19.2 35.9 15.2 18.2 13.5 19.0 12.5 6.7 28.60.0 17.4 24.0 30.3 15.4 24.1 13.7 28.0 22.6 14.30.0 12.1 17.6 6.7 8.0 19.4 8.3 30.4 40.6 25.00.0 0.0 0.0 11.1 12.5 12.5 0.0 37.5 50.0 46.7

Typ 5: Parallel zum Busbar0.0 7.7 15.4 0.0 23.8 57.1 23.5 3.4 0.0 11.50.0 22.6 7.3 21.2 9.4 0.0 10.6 7.8 13.5 37.512.5 23.1 17.9 15.2 30.3 17.3 19.0 25.0 23.3 28.625.0 21.7 32.0 15.2 17.9 13.8 19.6 28.0 38.7 35.70.0 18.2 17.6 13.3 16.0 3.2 16.7 8.7 12.5 25.010.0 0.0 16.7 0.0 25.0 12.5 53.8 0.0 12.5 20.0

Typ 6: Senkrecht to busbar0.0 7.7 23.1 0.0 9.5 7.1 11.8 6.9 0.0 7.70.0 6.5 9.8 12.1 12.5 15.4 10.6 9.8 0.0 0.00.0 0.0 0.0 9.1 9.1 1.9 2.4 0.0 0.0 0.00.0 0.0 4.0 0.0 2.6 3.4 3.9 0.0 3.2 7.10.0 3.0 0.0 2.2 4.0 9.7 8.3 0.0 0.0 0.00.0 0.0 16.7 11.1 0.0 25.0 7.7 0.0 0.0 0.0

Typ 7: Kreuzrisse31.3 46.2 46.2 83.3 42.9 14.3 35.3 79.3 30.0 38.575.0 9.7 22.0 30.3 15.6 15.4 14.9 37.3 13.5 25.050.0 7.7 10.3 21.2 6.1 23.1 26.2 10.0 16.7 42.950.0 8.7 8.0 15.2 2.6 6.9 9.8 8.0 6.5 35.742.9 9.1 5.9 6.7 12.0 0.0 12.5 13.0 12.5 18.850.0 28.6 16.7 33.3 25.0 50.0 38.5 37.5 12.5 26.7

Definition der abgetrennten Fläche

• Jedes Rissmuster generiert eine unterschiedliche abgetrennte Fläche

• An Solarzellen gemessen

• Simulation mit Werten dieser gemessenen Verteilung

Risstyp

Abg

etre

nnte

Flä

che

Abr

oken

[%]

RisskantenRisshäufigkeit



Modulleistung


Risswiderstand

• Was ist an Risskanten los?

• Biegeversuch mit Widerstandsmessung auf Metallisierung2

1J. Käsewieter et al., Energy Procedia, 55, 2014, 469-4772J. Käsewieter et al., IEEE JPV 2015, In Press.

Risswiderstand

• Was ist an Risskanten los?

• Biegeversuch mit Widerstandsmessung auf Metallisierung2

1J. Käsewieter et al., Energy Procedia, 55, 2014, 469-4772J. Käsewieter et al., IEEE JPV 2015, In Press.

• Risswiderstand im entlasteten Zustand nimmt mit Zyklenanzahl zu

• ρb [0.2;200] Ωcm

Einfluss von Rb auf Module mit ZellrissenRisshäufigkeit



Modulleistung


Einfluss des Risswiderstands

5 %

10 %

25 %

Mittelwert

50 %

1000 Module pro Rb

• Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand

• Abnahme der Leistung mit Rb im Bereich [0.1;10] Ω

• Rb > 10 Ω: totale Abtrennung

Nor

mie

rte A

usga

ngsl

eist

ung

PM

PP

[%]

Risswiderstand Rb [Ω]


5 %

10 %

25 %

Mittelwert

50 %



• Rb > 10 Ω: totale Abtrennung20 % der ModulePMPP< 80%

1000 Module pro Rb

Bruchwiderstand Rb [Ω]

Nor

mie

rte A

usga

ngsl

eist

ung

PM

PP

[%]





• Rb > 10 Ω: totale Abtrennung

• Biegeversuch: Rb [0.01;10] Ω5 %

10 %

25 %

50 %

Mittelwert

Gemessene Rb

20 % der ModulePMPP< 80%

Nor

mie

rte A

usga

ngsl

eist

ung

PM

PP

[%]


Wirkung der Risse auf ModulstringsRisshäufigkeit



Modulleistung


Simulation von Modulstrings

• Module sind üblicherweise serienverschaltet im Feld

• Serienverschaltung Alle Module haben den gleichen Strom im Betrieb

• Leistung ist nicht die Summe der einzelnen Modulleistungen

Wie stark ist die Leistung der Modulstrings betroffen ?

1000 simulierte Module

20% : PMPP< 80%

Willkürlich verschaltet in 1000 Strings à20 Module

25%: PMPP< 80%

Leistungsverluste von StringsN

orm

ierte

Lei

stun

g P

MP

P[%

]

Risswiderstand Rb [Ω] Risswiderstand Rb [Ω]

Nor

mie

rte A

usga

ngsl

eist

ung

PM

PP

[%]

Nor

mie

rte A

usga

ngsl

eist

ung

PM

PP

[%]

• Für Rb≥1 Ω: kein String mit nomineller Leistung

• Symmetrische Verteilungen der PMPP

5% der StringsPMPP < 80 %

Maximale, theoretische LeistungPtheoretical = 4555 W

Leistungsverluste von StringsN

orm

ierte

Aus

gang

slei

stun

g P

MP

P[%

]


Leistungsverluste von Strings

• Verteilung zentriert auf einen Leistungsverlust von 12%

• 5% der Modulstrings unter 80% der nominellen PMPP

5% der StringsPMPP < 80 %

Maximale, theoretische LeistungPtheoretical = 4555 W

Häu

figke

it n

[%]

Normierte Ausgangsleistung PMPP [%]

Zusammenfassung

• Rissbehaftete Module verhalten sich abhängig von dem Risswiderstand Rb am Zellriss

• Simulationen basierend auf Bruchstatistik aus dem Feld zeigen signifikante Leistungsverluste bei Bruchwiderständen größer als 0.1 Ω

• Worst case scenario:

- 20% der einzelnen Module liefern weniger als die garantierte Leistung von 80% PMPP

- 5% der Modulstrings liefern weniger als 80% PMPP

Danksagung

• Frau Dr. S. Kajari-Schröder, Frau I. Kunze, Herr Dipl. Phys. J. Käsewieter, ISFH

• Das Bundesministerium für Bildung und Forschung imRahmen der Innovationsallianz: MIKRO 03SF0419A

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Date post:	18-Oct-2020
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