simulation des einflusses von zellbrüchen auf die leistung ... · 12. workshop...
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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
• Produktion- Behandlung- Löten
• Transport & Installation- Schwingungen- Stöße
• Mechanische Belastung im Feld- Schnee- Wind- Thermische Zyklen
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
• Produktion- Behandlung- Löten
• Transport & Installation- Schwingungen- Stöße
• Mechanische Belastung im Feld- Schnee- Wind- Thermische Zyklen
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.
• Produktion- Behandlung- Löten
• Transport & Installation- Schwingungen- Stöße
• Mechanische Belastung im Feld- Schnee- Wind- Thermische Zyklen
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.
• Produktion- Behandlung- Löten
• Transport & Installation- Schwingungen- Stöße
• Mechanische Belastung im Feld- Schnee- Wind- Thermische Zyklen
Ausblick
• Ziel: Risserzeugte PV Modul-Leistungsverluste simulieren, basiert auf Feldstatistik
Risshäufigkeit
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
Modelschaltkreis zur ModulsimulationRisshäufigkeit
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
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
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
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
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
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
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
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]
Einfluss des Risswiderstands
5 %
10 %
25 %
Mittelwert
50 %
• Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand
• Abnahme der Leistung mit Rb im Bereich [0.1;10] Ω
• 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
[%]
Risswiderstand Rb [Ω]
Einfluss des Risswiderstands
• Verteilung der Leistung ist stark abhängig vom Risswiderstand
• Abnahme der Leistung mit Rb im Bereich [0.1;10] Ω
• Rb > 10 Ω: totale Abtrennung
• Biegeversuch: Rb [0.01;10] Ω5 %
10 %
25 %
50 %
Mittelwert
Gemessene Rb
20 % der ModulePMPP< 80%
Nor
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usga
ngsl
eist
ung
PM
PP
[%]
Risswiderstand Rb [Ω]
Wirkung der Risse auf ModulstringsRisshäufigkeit
Beurteilung abgetrennter
ZellflächeModellschaltkreis
Modulleistung
StringleistungRisskanten
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[%
]
Risswiderstand Rb [Ω]
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