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Wenn wir heute Photovoltaik-Module aufs Dach oder an die Fassaden schrauben, gehen wir davon aus, dass wir uns danach 30 bis 40 Jahre nicht mehr darum kümmern müssen und diese Bauteile einwandfrei bis zu ihrem vorgesehenen Lebensende funktionieren.
Kommt es nun bei der Produktentwicklung zu grösseren technischen Veränderungen wie beispielsweise die Verwendung neuer Materialien, ein geänderter konstruktiver Aufbau, etc., möchte der Hersteller Gewissheit haben, dass er auch auf diese neuen Produkte eine übliche Leistungsgarantie von mindestens 20 Jahren gewähren kann. Natürlich darf aber der dazu notwendige Qualitätsnachweis keine 20 oder gar 40 Jahre in Anspruch nehmen. Beschleunigte Tests, wie sie im Masterprojekt von Nicola Berger entwickelt werden, sollen qualitative und quantitative Aussagen zum Alterungsverhalten von Photovoltaik-Modulen oder einzelnen Komponenten ermöglichen.
Konzeption der Testumgebung
Das Prinzip der Alterungstests besteht darin, dass die zu untersuchenden Alterungsmechanismen durch eine Verstärkung deren Auslöser soweit beschleunigt werden können, dass die Testdauer auf einige Wochen bis maximal Monate verkürzt werden kann.Die Beschleunigung des Alterungsverhaltens wird im vorliegenden Projekt durch die Variation folgender Parameter erreicht:
– Bestrahlungsstärke
– Inhomogenität der Bestrahlung
– Spektrale Zusammensetzung des Lichtes
– Luftfeuchtigkeit
– Temperatur der Photovoltaik-Module
– Elektrische Belastung der Solarzellen (Betrieb in allen Quadranten)
Der Aufbau einer solchen Testanlage ist mit einigen grossen Herausforderungen verbunden. Zur Beleuchtung der Prüflinge baute unser Masterstudent Nicola Berger einen kleinen Prototyp, mit welchem Solarmodule mit einer Leistung von bis zu 17 Sonnen (17 kW/m²) beaufschlagt werden können.
Abbildung 1: Ein kleines Photovoltaik-Modul wird von der Prototyp-Beleuchtungsanlage bestrahlt.
Dieser Prototyp muss nun in einem nächsten Schritt auf die Grösse heute marktüblicher Photo voltaikmodule, also auf etwa 2 m², hochskaliert werden.
Der eigentliche Leuchtkörper der Beleuchtungsanlage wird aus einzelnen Hochleistungs-LEDs aufgebaut, welche paarweise angesteuert werden können. Mit dieser punktuellen Ansteuerung lässt sich die Homogenität der Ausleuchtung vergleichmässigen (Abbildung 2, links), oder es kann als zusätzliche Belastung der Solarzellen bewusst eine definierte Inhomogenität erzeugt werden (Abbildung 2, rechts).
Abbildung 2: Unterschiedliche Ansteuerung der Beleuchtungsanlage.
LEDs sind einerseits hocheffiziente Leuchtmittel mit Wirkungsgraden um 50%. Das bedeutet aber andererseits, dass trotzdem nochmals etwa dieselbe Leistung, die für die Beleuchtung bereitgestellt wird, in Form von Wärme anfällt. Die Beleuchtungsanlage muss folglich mit bis zu 17 kW/m² oder im Falle des kleinen Prototyps mit 1.5 kW gekühlt werden. Was beim kleinen Prototyp noch vergleichsweise einfach zu lösen ist, wird bei der vorgesehenen 2 m² grossen Anlage eine Knacknuss darstellen, dort fallen dann bis zu 34 kW Verlustleistung an!
Abbildung 3: Nicola Berger setzt die Parameter für einen Test.
Aktuell laufen erste Versuche in der kleinen Klimakammer. Im letzten Semester seines Masterstudiums wird Nicola Berger die ganze Testeinrichtung hochskalieren sowie die Messtechnik und Steuerung anpassen und optimieren.
An der Hochschule für Technik wird zu diesem Zweck sowie für die spätere Durchführung von Messungen für die Industrie eigens eine neue, grosse Klimakammer beschafft. Die Anlieferung und Inbetriebnahme ist in den kommenden Wochen geplant.
Danach kann Nicola Berger nach Vorgaben unseres Wirtschaftspartners Solvatec erste Versuche fahren, mit verschiedenen Beschleunigungsparametern experimentieren und Methoden zur Interpretation der Messwerte validieren.