Umfassende Überprüfung von Degradations- und Ausfallphänomenen
Die Degradation von Photovoltaik (PV)-Systemen ist einer der Schlüsselfaktoren, die angegangen werden müssen, um die Kosten für die erzeugte Elektrizität zu senken, indem die Betriebslebensdauer von PV-Systemen verlängert wird. Um die Degradation zu verringern, ist es unerlässlich, die Degradations- und Ausfallphänomene zu kennen. Mit einem Übersichtsartikel in Renewable and Sustainable Energy Reviews (open access) wollen Forscher aus acht Ländern einen Überblick über den aktuellen Wissensstand bezüglich der Zuverlässigkeit von PV-Modulen geben.
PV-Modul – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Während die gängigste Technologie heute mono- und multikristallines Silizium ist, soll der Artikel unter der Überschrift „Review of degradation and failure phenomena in photovoltaic modules“ eine allgemeine Zusammenfassung geben, die für ein breiteres Spektrum von Photovoltaik-Technologien relevant ist, einschließlich Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid und neue kostengünstige Hocheffizienz-Technologien. Die Übersicht besteht aus drei Teilen:
- Erstens, eine kurze kontextbezogene Zusammenfassung über Zuverlässigkeitsmetriken und wie Zuverlässigkeit gemessen wird.
- Zweitens eine Zusammenfassung der wichtigsten Belastungsfaktoren und deren Einfluss auf die Moduldegradation.
- Schließlich eine detaillierte Übersicht über Degradation und Ausfallmodi, die nach den einzelnen Komponenten eines PV-Moduls unterteilt ist. In diesem Abschnitt werden die Degradationsphänomene und Ausfallarten mit der Modulkomponente und ihren Auswirkungen auf das PV-System in Verbindung gebracht.
Auf der Grundlage dieses Wissens können Strategien zur Verbesserung der Betriebslebensdauer von PV-Anlagen und damit zur Senkung der Stromkosten entwickelt werden. Durch umfangreiche Tests und Fehleranalysen haben die Forscher nun einen viel besseren Überblick über die Stressfaktoren und ihre Auswirkungen auf die langfristige Stabilität.
Einleitung
Die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Auswirkungen der Photovoltaik (PV) sind enorm und werden weiter rapide zunehmen. Um die 1,5 °C-Grenze bis 2050 einzuhalten, muss die PV nach Prognosen der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien um das 15-fache ansteigen und die Hälfte der gesamten Stromerzeugung (15 TW) ausmachen, ausgehend von knapp 1 TW 2021. Die Qualität und kommerzielle Attraktivität eines PV-Systems wird in erster Linie durch seine Leistung im Feld, seine Kosten und seine Lebensdauer bestimmt, zu denen das PV-Modul einen wesentlichen Beitrag leistet.
Während der Lebensdauer eines Moduls ist dieses gleichzeitig Umwelteinflüssen wie Sonnenlicht, Hitze und Kälte, Feuchtigkeit und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Faktoren führen oft zu einer allmählichen Abnahme der Leistung und in einigen Fällen zu einem plötzlichen Ausfall und Leistungsverlust. Es ist wünschenswert, diese Auswirkungen zu begrenzen. In einem kürzlich erschienenen Bericht der Europäischen Technologie- und Innovationsplattform wird die Bedeutung der langfristigen Zuverlässigkeit hervorgehoben. Ingenieure sollten die Verschlechterung so weit wie möglich minimieren und Verschlechterungsphänomene, die nicht beseitigt werden können, quantitativ vorhersagen. Dies ermöglicht eine genauere Schätzung der erwarteten Lebensdauer eines Moduls und seines Stromertrags. Solche Schätzungen sind für Großinvestitionen erforderlich, da Investoren, Banken und Versicherungen ihre Risiken und Unsicherheiten minimieren wollen. Um die Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit zu optimieren und die Lebensdauer eines Moduls zu erhöhen, ist es entscheidend, dass Degradations- und Ausfallmechanismen bekannt sind und leicht erkannt und eingedämmt werden können.
Dieser Artikel soll einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Zuverlässigkeit von PV-Anlagen geben und behandelt die Degradationsmechanismen, die PV-Technologien im Allgemeinen betreffen. Er soll eine prägnante und aktuelle Einführung in dieses Thema für den allgemeinen Leser und insbesondere für Neulinge im Bereich der PV-Zuverlässigkeitstechnik bieten. Für diese Übersichtsarbeit wurde die in den letzten 30 Jahren veröffentlichte Literatur von einem Expertenteam aus verschiedenen Organisationen untersucht, die Mitglieder der Arbeitsgruppe „Reliability and Durability of PV“ der EU COST Action PEARL PV sind.
Im weiteren Verlauf dieses Abschnitts werden die verschiedenen Photovoltaik-Technologien vorgestellt, auf die sich die Industrie und die Wissenschaft konzentrieren. Anschließend werden in Abschnitt 2 die wichtigsten Konzepte und Begriffe für Zuverlässigkeit und Degradation definiert, die Prüfstandards beschrieben und die wirtschaftlichen Aspekte der PV-Zuverlässigkeit vorgestellt. In Abschnitt 3 werden die Belastungsfaktoren beschrieben, die zur Degradation von PV-Modulen führen, und in Abschnitt 4 werden die bekannten Degradationseffekte beschrieben, die sich aus diesen Belastungen ergeben. Schließlich wird in Abschnitt 5 ein Ausblick auf künftige Forschungsherausforderungen gegeben. Eine Technologie für erneuerbare Energien wie die Photovoltaik wird eine Schlüsselrolle bei der Energiewende zu einem emissionsfreien Energiesystem spielen. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass die verschiedenen PV-Technologien weiterentwickelt werden, um weitere Kostensenkungen zu ermöglichen, aber auch um die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern und die Wiederverwendung und das Recycling zu erleichtern. Es liegt auf der Hand, dass neue Gerätearchitekturen und Materialien Skalierungseffekte, eine lange Lebensdauer und geringe Umweltauswirkungen berücksichtigen müssen. Diese Übersichtsarbeit fasst die Herausforderungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit zusammen, die beachtet werden müssen, um eine längere Lebensdauer zu erreichen und sicherzustellen, dass die Kosten weiter gesenkt werden können.
Schlussfolgerungen
Dieser Übersichtsartikel hat einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Zuverlässigkeit von PV-Modulen und deren Degradationsmechanismen gegeben. Die heute gebräuchlichste Technologie ist mono- und multikristallines Silizium, aber dieser Artikel zielt darauf ab, eine allgemeine Zusammenfassung zu geben, die für ein breiteres Spektrum von Photovoltaiktechnologien einschließlich Dünnschichtgeräten relevant ist. Zunächst wurden die Definitionen für Zuverlässigkeit und Qualität sowie die Prüfstandards überprüft. Anschließend wurden die wichtigsten Belastungsfaktoren, die sich auf die Degradation von Modulen auswirken, zusammengefasst; dazu gehören Bestrahlungsstärke, Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Belastung, Verschmutzung und Chemikalien.
Schließlich wurden allgemeine Degradations- und Ausfallmodi identifiziert, die allgemein bei Photovoltaiktechnologien auftreten. Viele PV-Technologien bestehen aus ähnlichen Architekturen in Bezug auf die Modulmaterialien und -komponenten. Zu diesen Elementen gehören die Modulverpackung, der interne elektrische Schaltkreis, Bypass-Dioden, Anschlussdosen, Verkabelung und Anschlüsse sowie Rahmen. Die vorherrschenden Degradationsphänomene und Fehlerarten bei allen Modulkomponenten wurden zusammengefasst. Die Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass die Haltbarkeit jeder einzelnen Komponente unter einer einzigen Belastung gut vorhergesagt werden kann, aber genaue Zuverlässigkeitsschätzungen für eine Kombination von Materialien unter einer Kombination von zeitlich variierenden Belastungen sind nach wie vor schwierig. Aufbauend auf diesem Wissen können Strategien zur Verbesserung der Betriebslebensdauer von PV-Anlagen und damit zur Senkung der Stromkosten und zur Verbesserung der Nachhaltigkeit entwickelt und die Lebensdauer von PV-Modulen verlängert werden.
->Quelle: M. Aghaei, A. Fairbrother, A. Gok, S. Ahmad, S. Kazim, K. Lobato, G. Oreski, A. Reinders, J. Schmitz, M. Theelen, P. Yilmaz, J. Kettle: Review of degradation and failure phenomena in photovoltaic modules, in: Renewable and Sustainable Energy Reviews 159 (03.02.2022) 112160, open access article under the CC BY license